thèse pour rapporteur - Station Biologique de Roscoff

THESE DE DOCTORAT DE
L’UNIVERSITE PIERRE ET MARIE CURIE
Spécialité
Diversité du Vivant
Présentée par
Mlle Sophie PLOUVIEZ
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR de l’UNIVERSITÉ PIERRE ET MARIE CURIE
Phylogéographie comparée des espèces
hydrothermales de la dorsale du Pacifique oriental
soutenue le 11 décembre 2009
devant le jury composé de :
M. Dominique HIGUET, Professeur, Université Pierre et Marie Curie (Président du jury)
Mme. Sophie ARNAUD-HAOND, Chargée de recherche, Ifremer (Rapporteur)
M. François BONHOMME, Directeur de Recherche, CNRS, Montpellier (Rapporteur
Mme. Sarah SAMADI, Chargée de recherche, IRD
(Examinateur)
M. Pierre CHEVALDONNE, Chargé de recherche, Endoume (Examinateur)
M. Didier JOLLIVET, Chargé de recherche, CNRS, Roscoff (Directeur de thèse)
M. François LALLIER, Professeur, Université Pierre et Marie Curie (Directeur de thèse)

Table des matières

TABLE DES MATIÈRES
CHAPITRE 1 : INTRODUCTION GENERALE A LA PHYLOGEOGRAPHIE ............................................1
1. BIOGEOGRAPHIE ET PHYLOGEOGRAPHIE .....................................................................................................1
2. MODELES DE DISPERSION EN POPULATIONS GEOGRAPHIQUEMENT SUBDIVISEES......................................3
3. APPROCHE DE LA PHYLOGEOGRAPHIE PAR LA THEORIE DE LA COALESCENCE ..........................................9
3.1. Principe de la théorie de la coalescence............................................................................................9
3.2. Écart à la neutralité : impact de l’histoire démographique et de la sélection naturelle sur le
coalescent.......................................................................................................................................................13
3.3. Structure du coalescent au regard de la géographie.......................................................................16
3.4. Coalescence de gènes versus séparation des lignées intra-spécifiques .........................................20
4. RELACHEMENT D’UN ISOLEMENT GEOGRAPHIQUE....................................................................................22
5. BIOGEOGRAPHIE EN MILIEU HYDROTHERMAL PROFOND...........................................................................24
6. DORSALE DU PACIFIQUE ORIENTAL (EPR) ................................................................................................30
6.1. Vitesses d’accrétion et géomorphologie du rift ...............................................................................30
6.2. Définition et principe d’une faille transformant et d’une microplaque .........................................31
6.3. Histoire de la formation de la dorsale EPR.....................................................................................32
6.3.1. La microplaque Bauer: 10°S-18°S ............................................................................................................. 34
6.3.2. La paléoplaque Mathematician: 12°N-17°N ............................................................................................. 34
6.3.3. Capture de la microplaque Bauer et formation des microplaques de Pâques.......................................... 35
6.4. Potentielles barrières à la dispersion...............................................................................................36
6.4.1. Failles transformantes ................................................................................................................................. 36
6.4.2. Courants océaniques profonds.................................................................................................................... 37
7. STRUCTURE GENETIQUE DES ESPECES DE LA DORSALE DU PACIFIQUE ORIENTAL...................................38
7.1. Quels modèles de dispersion pour les espèces de l’EPR ? .............................................................38
7.2. Existence de barrières génétiques chez les espèces de l’EPR .......................................................40
8. OBJECTIFS DE LA THESE..............................................................................................................................42
CHAPITRE 2 : METHODES ET BIAIS METHODOLOGIQUES .................................................................. 43
1. STRATEGIE D’ECHANTILLONNAGE .............................................................................................................43
2. BANQUES D’ADN COMPLEMENTAIRES .....................................................................................................46
3. ACQUISITION DES SEQUENCES....................................................................................................................47
3.1. Séquences du gène mitochondrial Cytochrome Oxydase I..............................................................47
3.2. Séquences des gènes nucléaires : Marquage-Recapture (MR) de séquences................................48
4. TRAITEMENT DES SEQUENCES ....................................................................................................................50
4.1. Alignement et correction des séquences liées aux erreurs de lecture du séquenceur...................50
4.2. Recombinaison in vitro détectée via la méthode MR.......................................................................51
4.3. Correction du jeu de données : suppression des singletons artéfactuels engendrant un
multiallélisme.................................................................................................................................................52
5. TRAITEMENT DE LA RECOMBINAISON ........................................................................................................54

5.1. Biais liés à la recombinaison dans les analyses de coalescence....................................................54
5.2. Détection et suppression des séquences recombinantes .................................................................55
6. DETECTION DE GENES CO-AMPLIFIES (POTENTIELLEMENT PARALOGUES)...............................................55
6.1. Bathymodiolus thermophilus.............................................................................................................55
6.1.1. Lysozyme .....................................................................................................................................................55
6.1.2. Sulfotransférase............................................................................................................................................56
6.2. Lepetodrilus elevatus.........................................................................................................................57
6.2.1. Lysozyme .....................................................................................................................................................58
6.2.2. Veliger Digestive Gland 3 (VDG3)............................................................................................................59
6.2.3. Textilinine ....................................................................................................................................................62
7. RECHERCHE D’UNE DIVERGENCE PARTAGEE ENTRE PLUSIEURS ESPECES : MSBAYES............................63
8. MIGRATION A TRAVERS UNE BARRIERE AUX FLUX DE GENES : MIGRATE-N............................................66
9. MODELE D’ « ISOLEMENT AVEC MIGRATION ».........................................................................................68
10. ÉCART A LA NEUTRALITE : SELECTION VERSUS DEMOGRAPHIE .............................................................69
10.1. Approche multilocus visant à détecter un ou plusieurs locus sous sélection positive : test de
Hudson Kreitman Aguadé.............................................................................................................................69
10.2. Approche substitutions synonymes / non-synonymes en vu de la détection de sélection positive
versus négative : test de MacDonald-Kreitman ..........................................................................................70
10.3. Tests de polymorphisme visant à détecter un écart à la neutralité : tests de Tajima et Fu &
Li….................................................................................................................................................................71
10.4. Dater une expansion démographique via le logiciel Fluctuate....................................................72
10.5. Proposition d’un nouveau test statistique visant à détecter des locus sous sélection
diversifiante entre régions géographiques ..................................................................................................73
10.6. Discrimination entre balayage sélectif et goulôt d’étranglement via une approche de
vraisemblance sur données multilocus : le logiciel Sweep_bott ...............................................................74
CHAPITRE 3 : PHYLOGEOGRAPHIE COMPAREE DES ESPECES HYDROTHERMALES DE
LA DORSALE DU PACIFIQUE ORIENTAL A L’AIDE DU GENE MITOCHONDRIAL DE LA
CYTOCHROME OXYDASE I.................................................................................................................................77
1. INTRODUCTION A L’APPROCHE DE PHYLOGEOGRAPHIE COMPAREE DES ESPECES ...................................77
2. RESUME DE L’ARTICLE DE PHYLOGEOGRAPHIE COMPAREE ENTRE ESPECES............................................81
3. ARTICLE : PHYLOGEOGRAPHIE COMPAREE ENTRE ESPECES SUR LE GENE MTCOI ..................................87
4. INTERETS ET LIMITES DE L’APPROCHE DE PHYLOGEOGRAPHIE COMPAREE............................................102
4.1. Apports de la phylogéographie comparée entre espèces dans l’étude des processus de
vicariance ....................................................................................................................................................102
4.2. Apports de la phylogéographie comparée dans l’étude de l’histoire démographique des
populations ..................................................................................................................................................104
4.3. Limites de la phylogéographie comparée monogène ....................................................................105
CHAPITRE 4 : ETUDE D’UNE BARRIERE SEMI-PERMEABLE A LA DISPERSION PAR UNE
APPROCHE MULTI-LOCUS SUR PLUSIEURS ESPECES ......................................................................... 107
1. INTRODUCTION A L’ETUDE D’UNE BARRIERE A LA DISPERSION PAR UNE APPROCHE MULTI-LOCUS.....107

2. TAXONOMIE ET TRAITS D’HISTOIRE DE VIE DES ESPECES CIBLES .......................................................... 111
2.1. A. pompejana................................................................................................................................... 111
2.2. B. thermophilus ............................................................................................................................... 113
2.3. L. elevatus........................................................................................................................................ 116
3. MATERIELS ET METHODES DES ESPECES CIBLES..................................................................................... 118
4. ANALYSES ET RESULTATS SUR LES ESPECES CIBLES .............................................................................. 118
4.1. A.pompejana.................................................................................................................................... 118
4.1.1. Résumé des résultats ................................................................................................................................. 118
4.1.2. Article en préparation................................................................................................................................125
4.2. B. thermophilus ............................................................................................................................... 170
4.2.1. Résumé des résultats ................................................................................................................................. 170
4.2.2. Article en préparation................................................................................................................................175
4.3. L. elevatus........................................................................................................................................ 216
4.3.1. Introduction................................................................................................................................................216
4.3.2. Gène mitochondrial COI...........................................................................................................................217
4.3.3. Analyse des séquences nucléaires : hybridation et barrière(s) au(x) flux de gènes ..............................220
4.3.4. Y a-t-il eu une expansion démographique au Sud de l’EPR ?................................................................235
5. DISCUSSION GENERALE DU CHAPITRE 4 : COMPARAISON DES RESULTATS OBTENUS ENTRE LES ESPECES
CIBLES............................................................................................................................................................... 239
CHAPITRE 5 : CONCLUSION, DISCUSSION GENERALE ET PERSPECTIVES ................................. 245
1. L’EPR : UNE OU DEUX PROVINCES BIOGEOGRAPHIQUES ?.................................................................... 246
2. CONNEXION ENTRE EPR ET LES AUTRES PROVINCES BIOGEOGRAPHIQUES .......................................... 249
3. BARRIERES SEMI-PERMEABLES : ROLE DES FAILLES TRANSFORMANTES ET DES COURANTS
DIVERGENTS ? .................................................................................................................................................. 250
4. PERSPECTIVES DE LA THESE .................................................................................................................... 251
4.1. Évolution des espèces hydrothermales .......................................................................................... 251
4.2. Évolution des gènes......................................................................................................................... 253
4.2.1. Le gène mtCOI ..........................................................................................................................................253
4.2.2. Phosphoglucomutase d’A. pompejana ..................................................................................................... 255
5. ANNEXE DU CHAPITRE 5 .......................................................................................................................... 256
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ............................................................................................................. 299
ANNEXE 1 : MARQUAGE RECAPTURE DE SEQUENCES........................................................................ 323
ANNEXE 2 : LOGICIEL RABOUTER SEQUENCE ....................................................................................... 329
ANNEXE 3 : CONDITIONS DE PCR.................................................................................................................. 341
ANNEXE 4 : CODE GENETIQUE MITOCHONDRIAL DES ALVINELLIDAE...................................... 345
ANNEXE 5 : ARTICLE RELATION FEMELLES/JUVENILES CHEZ BRANCHIPOLYNOE
SEEPENSIS............................................................................................................................................................... 349

Introduction générale
Chapitre 1 : Introduction générale à la
phylogéographie
1. Biogéographie et phylogéographie
Subdiviser le monde vivant en multiples unités taxonomiques a permis aux
scientifiques de mieux en appréhender sa diversité. Dès lors, des patrons communs de
distribution géographique ont pu être mis en évidence entre taxons, posant ainsi la question
des raisons historiques ayant conduit à cette répartition particulière. Repérer ces
distributions communes à l’échelle des peuplements et identifier les processus historiques,
environnementaux et biologiques, qui les ont façonnées, tel est l’objectif de la
biogéographie (Myers & Giller, 1988). L’étude des compositions faunistiques et
floristiques a déjà permis l’identification de nombreuses provinces biogéographiques, aussi
bien en milieu terrestre (e.g. Cox 2001) qu’en milieu aquatique (e.g. Cox & Moore 2000).
Si les barrières biogéographiques terrestres sont, du moins au premier abord, souvent
relativement faciles à établir (correspondant à la séparation des continents par les océans
ou à l’existence de montagnes ou de déserts), l’interconnexion des océans ainsi que la
difficulté d’accessibilité de ce milieu rend plus complexe la visualisation de barrières à la
dispersion et donc la définition de provinces biogéographiques marines. L’adaptation des
organismes à un environnement donné est également à prendre en considération lors de la
définition de provinces biogéographiques, rendant la tâche relativement complexe (e.g.
continuum de températures). La profondeur des océans peut ainsi jouer un rôle
fondamental dans l’étude de la biogéographie en limitant l’impact des changements
climatiques sur la distribution des espèces (Cox & Moore 2000). En effet, en cas de
changement de température, par exemple, les espèces peuvent atteindre leur preferendum
thermique par migration latitudinale, comme en milieu terrestre, mais également par
migration bathymétrique (en milieu terrestre, l’altitude peut également jouer ce rôle mais
les points élevés restent relativement localisés).
1

Introduction générale
La subdivision d’une région ancestrale mère en deux provinces biogéographiques filles
peut être la conséquence de mécanismes divers. De nombreuses hypothèses ont ainsi été
proposées pour expliquer ces subdivisions :
• des changements paléo-environnementaux liés aux mouvements tectoniques des
plaques (théorie paléogéographique, Emsley, 1965) ou aux oscillations
climatiques (e.g. théorie des refuges permettant aux zones géographiques les
plus stables d'abriter certains taxons lors de contextes climatiques défavorables,
Haffer, 1969)
• d’autres barrières physiques à la dispersion qui fragmentent l’habitat tels que
des courants océaniques, un fleuve, un désert…
• des gradients environnementaux (Endler 1982) qui, par sélection naturelle,
peuvent engendrer des gradients de distribution des taxons
Quelle que soit l’hypothèse, les capacités de dispersion et d’adaptation des espèces
jouent un rôle fondamental dans leur répartition géographique et permettent de coloniser
de nouveaux territoires, de survivre aux conditions locales de nouveaux habitats et s’y
maintenir. Ainsi, définir une province biogéographique implique que de multiples espèces
ne présentent pas les capacités de dispersion et/ou une valeur sélective suffisantes pour
atteindre la province biogéographique voisine et s’y établir. Néanmoins, certaines espèces,
de par leur nature plus ubiquiste, sont capables de traverser une barrière biogéographique.
Cela ne signifie pas pour autant qu’elles ne sont pas affectées par la barrière
biogéographique, certains individus pouvant être plus dispersifs ou mieux adaptés aux
contraintes de l’environnement. Pour évaluer l’impact intraspécifique de ces contraintes, il
est donc nécessaire d'examiner le polymorphisme de ces espèces et d’apprécier les
différences potentielles pouvant exister entre populations situées de part et d’autre de la
barrière biogéographique (ségrégation allélique pour un caractère donné). L’utilisation
d’outils moléculaires permet de comparer un nombre plus important de caractères
considérés neutres (e.g. certains sites nucléotidiques), qu’une approche morphologique, par
exemple, et maximise la probabilité de détecter cet impact potentiel. Ainsi, une analyse de
la structure génétique de ces populations peut permettre de détecter une concordance entre
barrière génétique et barrière biogéographique, et ainsi indiquer que cette dernière a
également eu un effet d’isolement sur l’espèce étudiée. Par exemple, la barrière
biogéographique de Cap Canaveral, qui sépare les faunes de l’Atlantique et du Golfe du
Mexique, a également engendré de la différenciation génétique intraspécifique de part et
2

Introduction générale
d’autre de cette barrière (Avise 1992). De même, les populations de multiples taxons
distribués de part et d’autre de l’archipel indo-australien présentent une divergence
génétique accrue entre les océans Indien et Pacifique occidental (e.g. crabe des cocotiers
Birgus latro : Lavery et al, 1995; crevette tigrée Penaeus monodon : Duda & Palumbi,
1999). Néanmoins, les barrières biogéographiques ne correspondent pas nécessairement à
des subdivisions génétiques (évolution en allopatrie). La divergence intraspécifique de part
et d’autre de la barrière biogéographique de Point Conception (séparant la Californie de
l’Oregon) est extrêmement faible, indiquant que cette barrière biogéographique n’aurait
pas réellement joué le rôle de barrière intraspécifique en limitant les flux de gènes entre
populations (Burton 1998). Lorsqu’elle existe, la relation entre barrière génétique et
barrière biogéographique n’est donc pas toujours simple à mettre à en évidence, d’autant
plus que la localisation d’une barrière à la dispersion peut varier selon les espèces,
engendrant des zones de transition plus ou moins larges entre provinces biogéographiques
(e.g. zone de transition le long des côtes chiliennes, Thiel et al 2007).
La phylogéographie a pour objectif de comprendre les processus qui gouvernent la
distribution géographique des lignées intraspécifiques (Avise et al 1987) par l’étude de
l’histoire évolutive de leurs gènes. Le processus de subdivision phylogéographique le plus
couramment admis peut ainsi se décliner en plusieurs étapes : (1) un isolement
géographique en allopatrie dépendant notamment du modèle de dispersion de l’espèce
considérée et de la force de la barrière rencontrée ; pouvant engendrer, accumulation de
mutations de part et d’autre de la barrière et dérive génétique, et/ou maladaptation
géographique, (2) un isolement génétique correspondant à cette subdivision géographique.
2. Modèles de dispersion en populations géographiquement subdivisées
Si le modèle panmictique correspond à un appariement sans contrainte des
individus au sein de la ou des populations considérées (indice de différenciation génétique
Fst = 0), à l’inverse, certaines populations subdivisées géographiquement peuvent
n’échanger aucun migrant et conduire à une augmentation significative de la
différenciation génétique par dérive (Hartl & Clark 2007). De nombreux modèles
intermédiaires impliquant un échange de migrants sous contraintes ont alors été décrits,
3

Introduction générale
selon un degré plus ou moins variable de connectivité des populations géographiquement
subdivisées.
Wright (1931, 1937) intègre la connectivité dans son modèle en îles (Fig. 1.1.A) en
y ajoutant un paramètre de migration entre les populations étudiées. Ainsi, toutes les
populations sont supposées présenter le même taux de migration m avec l’ensemble des
autres populations. La différenciation entre les populations (mesurée par le Fst) peut ainsi
permettre d’estimer la fraction d’individus (N x m) échangés entre populations (migrants)
par la relation Fst = 1/(1+4Nm) sous l’hypothèse d’un état d’équilibre entre la migration et
la dérive à chaque génération (populations démographiquement stables au cours du temps).
Néanmoins, supposer que deux populations proches échangent entre elles autant de
migrants que deux populations éloignées ne semble pas très réaliste. C’est pourquoi,
d’autres modèles intègrent la notion de proximité géographique entre populations.
Le modèle en pas japonais (ou stepping stone, Kimura 1953, Fig. 1.1.B) considère
que la dispersion ne s’effectue qu’entre populations voisines selon un même taux de
migration m (celui-ci étant nul entre populations non adjacentes). Le modèle d’isolement
par la distance (Wright 1943, Malécot 1950, Fig. 1.1.C) présente, quant à lui, un taux de
migration proportionnel à la distance entre individus considérés. Ainsi, ce modèle permet
la connectivité entre individus provenant de populations proches mais également, dans une
moindre mesure, entre populations plus distantes (Wright 1943). Il suppose néanmoins que
seule la distance est responsable du coefficient d’apparentement entre individus et
n’intègre pas la présence potentielle d’une rupture abrupte de la migration par une barrière
à la dispersion.
Le modèle avec matrice de migration libre (Bodmer & Cavalli-Sforza 1968, Fig.
1.1.D) permet de fixer un taux de migration différent entre chaque paire de populations,
avec des flux pouvant être asymétriques. Ainsi, selon les paramètres de migration choisis,
ce modèle peut prendre en compte à la fois l’isolement par la distance mais également de
possibles barrières à la dispersion (migration réduite entre deux groupes de populations).
Les modèles en îles, en pas japonais et d’isolement par la distance, constituent des cas
particuliers du modèle avec matrice de migration libre. Néanmoins, intégrant les avantages
de tous les modèles précédents, ce dernier nécessite l’estimation d’un nombre important de
4

Introduction générale
paramètres (n(n-1) paramètres de migration avec n correspondant au nombre de
populations). C’est pourquoi il n’est que rarement utilisé.
A. Modèle en île B. Modèle en pas japonais
C. Modèle d’isolement
par la distance
D. Modèle avec matrice
de migration libre
Fig. 1.1 Modèles de dispersion en populations géographiquement subdivisées.
Les taux de migration sont proportionnels à l’épaisseur des flèches.
5

Introduction générale
Selon les capacités de dispersion d’une espèce, un ajustement à un modèle de populations
peut permettre de mieux appréhender son évolution dans le temps et l’espace. Ainsi, une
espèce à forte capacité de dispersion sera moins soumise à l’isolement par la distance
qu’une espèce à capacité de dispersion réduite et tendra à suivre un modèle en îles. Les
espèces à capacité de migration très faible seront, quant à elles, plus proches d’un modèle
d’isolement par la distance ou d’un modèle en pas japonais (suivant la fragmentation de
l’habitat). L’isolement par la distance sera d’autant plus marqué que les capacités de
dispersion des espèces seront faibles (Palumbi 2003, Fig 1.2).
Potentiel de dispersion :
1 site par génération
2 sites par génération
3 sites par génération
4 sites par génération
Gst
Distance (en nombre de sites) entre chacune des 10 populations échantillonnées
Fig. 1.2 Variations de la force de l’isolement par la distance avec la capacité de
dispersion larvaire moyenne (en nombre de sites atteints par génération, la distance
entre sites étant constante). Adaptée de Palumbi (2003).
Valeurs du Gst (analogue du Fst et mesurant la proportion de variabilité génétique qui
est distribuée entre populations) simulées sur 10 locus bi-alleliques
Si ces modèles permettent de décrire la connectivité entre populations à un temps
donné, ils n’intègrent cependant pas la nature dynamique des populations dans le temps.
Les modèles de métapopulation (modèle initial proposé par Levin 1970 puis différents
modèles dérivés revus dans Harrison & Hastings 1996 ; Fig 1.3) ont été introduits afin de
tenir compte de la variabilité dynamique locale des populations en y intégrant la possibilité
d’extinction et de recolonisation de ces populations par de nouveaux migrants (notion de
colonisateurs).
6

Introduction générale
A
B
C
D
E
Fig. 1.3 Différents types de métapopulation. (A) type « classique » (Levins) ; (B) type
« source-puits » ; (C) type « population fragmentée » ; (D) métapopulation en déséquilibre ;
(E) cas intermédiaire combinant (A) et (D).
Symboles remplis : habitats occupés ; symboles vides : habitats vierges ; flèches :
dispersion; lignes noires entourant les symboles remplis : limite de distribution des
populations locales. D’après Harrison & Hastings (1996).
Deux modèles de recolonisation ont été proposés (Slatkin 1977) : le modèle
« migrant » (recolonisation d’un nouveau site à partir de colonisateurs provenant de
l’ensemble des autres populations de la métapopulation) et le modèle « propagule »
(recolonisation d’un site à partir de colonisateurs provenant uniquement des populations
voisines). Il a été montré que le taux d’extinction des populations locales et le modèle de
recolonisation influencent fortement la structure génétique de la métapopulation lorsque
ces modèles sont comparés aux modèles de référence sans extinction (Wade & McCauley
1988, Whitlock & McCauley 1990, Pannell & Charlesworth 2000).
Dans le modèle « propagule », la recolonisation ne pouvant s’effectuer qu’à partir des
populations proches, les populations recolonisées présenteront alors une diversité
génétique réduite (notion d’effet fondateur : cf. Pannell & Charlesworth 2000). La
7

Introduction générale
différenciation génétique (Fst) entre les populations augmentera avec le taux d’extinction
(Wade & McCauley 1988, Whitlock & McCauley 1990).
Dans le modèle « migrant », la recolonisation s’effectue à partir d’individus provenant de
l’ensemble des autres populations. Si le nombre de colonisateurs est suffisamment grand (>
2 fois le nombre de migrants échangés entre populations déjà établies), alors la population
recolonisée présentera une diversité génétique supérieure à celle des autres populations et
la différenciation génétique entre populations diminuera d’autant plus que le taux
d’extinction sera élevé (Wade & McCauley 1988, Whitlock & McCauley 1990). Au
contraire, si le nombre de colonisateurs est inférieur à 2 fois le nombre de migrants entre
populations établies, la diversité génétique des populations recolonisées sera alors plus
faible que dans les autres populations et la différenciation génétique entre populations
augmentera avec le taux d’extinction, comme dans le modèle « propagule ».
Extinctions et recolonisations influencent donc la différenciation génétique entre
populations. Il est dès lors extrêmement difficile de relier la différenciation génétique au
degré d’échange entre populations sans connaître au préalable le taux d’extinction appliqué
aux populations. La relation entre Fst et nombre de migrants proposée par Wright (1931 ;
Fst = 1/(4Nm+1) doit être adaptée pour tenir compte du caractère dynamique de la
métapopulation et inclure 2 nouveaux paramètres : le taux d’extinction et la probabilité que
2 colonisateurs aient la même origine (Whitlock & McCauley 1999).
Ajoutées aux capacités de dispersion d’une espèce (et donc aux potentialités de
recolonisation), les caractéristiques de l’habitat peuvent également permettre de choisir le
modèle de dispersion le plus approprié. Ainsi, un habitat extrêmement variable dans le
temps et dans l’espace induira des extinctions et recolonisations de populations plus
fréquentes, mieux décrites par un modèle de métapopulation.
L’isolement génétique provoqué par une barrière à la dispersion sera donc
différemment ressenti par les espèces en fonction de leur modèle de population. Selon le
modèle considéré, l’impact d’une barrière à la dispersion pourra ainsi être évalué par des
approches de génétique des populations basées sur l’écart à l’équilibre Hardy-Weinberg,
en utilisant les fréquences alléliques et leur distribution dans l’espace sous l’hypothèse
d’un équilibre migration-dérive. Si ces approches en fréquence permettent une vision
relativement récente de la différenciation entre populations, la quantification de la
8

Introduction générale
divergence accumulée entre ces populations nécessite, quant à elle, une approche différente
basée sur l’accumulation des mutations au cours du temps sous l’hypothèse d’un équilibre
mutation-dérive (échelle de temps plus ancienne) et utilisant les arbres phylogénétiques ou
les généalogies d’allèles (ou coalescents).
3. Approche de la phylogéographie par la théorie de la coalescence
3.1. Principe de la théorie de la coalescence
À chaque génération, des erreurs de réplication de l’ADN se produisent. Lorsqu’elles
s’exercent sur les lignées germinales (patrimoine génétique transmis à la descendance), ces
erreurs peuvent être transmises à la génération suivante. Les mutations, définies comme
changement héréditaire dans le matériel génétique, sont des événements rares (10 -4 à 10 -6
nouvelles mutations par gène et par génération) et constituent pourtant la source
primordiale de variation génétique entre individus. Les évènements de mutation se
produisent aléatoirement dans le temps suivant une loi de Poisson. Au fil du temps,
certaines de ces mutations vont se propager au sein d’une population jusqu’à se fixer avec
un temps moyen de 4N (où N est la taille de la population diploïde) tandis que d’autres
seront éliminées par dérive génétique. À taille de population constante, on atteint
rapidement un état d’équilibre entre le nombre de mutations nouvellement apparues et le
nombre de mutations qui disparaissent par dérive génétique : c’est l’équilibre mutationdérive
(e.g. Fig. 1.4). De même, un modèle en nombre de sites nucléotidiques infini peut,
dans certains cas, être assumé pour simplifier les analyses (chaque nouvelle mutation
survient sur un site différent, ce qui a pour conséquence de ne pas considérer l’existence de
sites homoplasiques et de mutations pouvant retourner à l’état ancestral). Ces modèles
apparaissent néanmoins extrêmement simplificateurs puisqu’il existe des ‘hot spots’ de
mutations dans les génomes (Li & Graur 1991).
9

Introduction générale
Jukes & Cantor (1969, JC)
Fréquences identiques des bases
Probabilités identiques d’occurrence des différents types de substitution
Biais transition/transversion
Fréquences des bases variables
Kimura 2 paramètres (1980, K2P)
Fréquences identiques des bases
Transitions (C↔T et A↔G) plus probables
que les autres substitutions (transversions)
Felsenstein (1981)
Fréquences différentes des bases
Probabilités identiques d’occurrence
des différents types de substitution
Fréquences des bases variables
Biais transition/transversion
Hasegawa et al (1985, HKY)
Fréquences différentes des bases
Transitions (C↔T et A↔G) plus probables que les transversions (autres combinaisons)
Fréquences des 6 paires de substitution pouvant être différentes
Réversible général (Rodríguez et al 1990, REV)
Fréquences différentes des bases
Taux de substitution différents pour toutes les paires de substitution
Fig 1.4 Relation entre cinq modèles de substitution. Adaptée de Page & Holmes (1998)
10

Introduction générale
Le devenir d’une mutation va dépendre de l’impact des autres forces évolutives (i.e.
sélection, dérive génétique, migration) sur le site muté, la sélection pouvant également
affecter les éventuelles mutations qui lui sont liées (notion d’autostop moléculaire). Ainsi,
si le temps d’isolement géographique entre deux populations est suffisamment long, des
mutations différentes entre ces populations pourront s’accumuler par sélection
différentielle ou simple dérive génétique, pouvant donner lieu à de nouveaux allèles entre
ces populations. Le polymorphisme moléculaire (i.e. basé sur les séquences nucléotidiques
d’ADN) présent s’inscrit donc comme une empreinte des évènements passés, et
notamment des événements d’isolements géographiques. La théorie de la coalescence
(Kingman 1982) consiste à utiliser cette empreinte afin de « rembobiner le fil de
l’évolution » et de décrypter l’histoire des populations (Fig. 1.4.A). Elle contraste donc
avec les modèles existants jusqu’alors, qui comparent les fréquences alléliques des
populations de génération en génération (selon le cours du temps) afin d’en observer les
changements (Wright 1977).
La théorie de la coalescence consiste à visualiser les relations entre les lignées actuelles
en remontant dans le temps, jusqu’à trouver l’ancêtre commun le plus récent à l’ensemble
de ces lignées (MRCA : Most Recent Common Ancestor, Fig. 1.5). La fusion de deux
lignées au niveau d’un MRCA est appelée événement de coalescence. Pour une espèce
diploïde, la probabilité que deux lignées coalescent à la génération précédente est de 1/2N,
où N est la taille de la population. Cette probabilité est la même quelle que soit la
génération considérée. Dans un coalescent neutre (absence de sélection et taille de
population constante), le temps qui sépare deux lignées qui coalescent augmente de
manière exponentielle lorsque l’on remonte dans le temps, certaines lignées ayant été
perdue au cours des générations (Kingman 1982, T4 < T3 < T2 < T1 sur la Fig. 1.5). Le
coalescent représente ainsi la fusion de l’ensemble des lignées échantillonnées. La théorie
de la coalescence ne s’intéresse donc qu’aux lignées ayant fournies des descendants actuels
(Fig. 1.5.B). Les lignées ayant disparu ne sont pas prises en considération. La théorie de la
coalescence peut ainsi permettre de mieux appréhender les processus ayant conduit à
l’évolution des populations actuelles en étudiant l’écart du coalescent observé par rapport à
un coalescent neutre et la distribution des lignées dans le coalescent au regard de la
géographie.
11

Introduction générale
A
Temps en
générations
B
T 1
T 2
T 3
T 4
Fig. 1.5 Processus de coalescence sous l’hypothèse neutre.
Chaque cercle représente une lignée. La population est supposée de taille constante. En
bleu, lignées actuelles échantillonnées. En rouge, ancêtre commun correspondant à un
événement de coalescence. A) Modèle de Wright représentant l’ensemble des lignées au
cours du temps. En noir, relation entre lignées ayant données lieu aux lignées actuelles
échantillonnées. En gris, relation entre lignées dont la descendance n’a pas été
échantillonnée. B) Modèle de coalescence de Kingman ne prenant en compte que les lignées
ayant engendrées une descendance échantillonnée.
12

Introduction générale
3.2. Écart à la neutralité : impact de l’histoire démographique
et de la sélection naturelle sur le coalescent
L’étude de la distribution des mutations sur un coalescent peut apporter des
informations précieuses sur les effets démographiques et/ou sélectifs pouvant intervenir
dans les populations. En absence de sélection et d’événement démographique (taille de
population constante), les mutations s’accumulent aléatoirement dans le polymorphisme et
la divergence d’un gène. La longueur des branches sur un coalescent étant proportionnelle
au temps, les branches internes auront donc des longueurs supérieures aux branches
terminales (Fig. 1.6.A) puisque ayant accumulé plus de mutations (égal au nombre de
générations nécessaires pour arriver au MRCA).
Supposons maintenant qu’un événement démographique ait engendré une
augmentation de la taille de la population à un temps t. La population observée
actuellement (No) présente alors une taille supérieure à la taille de la population ancestrale
au temps t (Nt). Deux lignées ancestrales (plus anciennes que t) présentent alors une
probabilité plus grande de coalescer à la génération précédente que deux lignées actuelles
(1/2No < 1/2Nt). En conséquence, le temps nécessaire pour que deux lignées actuelles
coalescent sera plus long qu’entre lignées ancestrales et donc les branches terminales du
coalescent ayant subi une expansion démographique seront plus longues que les branches
internes (Fig. 1.6.B). Le coalescent aura une forme de râteau ou d’étoile (Hudson &
Slatkin 1991). Les mutations auront donc plus de chance de s’accumuler sur les branches
terminales. On observera un excès de variants rares (mutations en faible fréquence ou
n’étant échantillonnées qu’une seule fois : singletons). À l’inverse, une diminution de taille
de population engendrera des branches internes plus courtes que les branches terminales,
avec excès de variants en fréquence intermédiaire. Une expansion démographique faisant
généralement suite à une réduction de population (effet fondateur), la topologie observée
sera alors un râteau avec une branche interne relativement longue (Fig. 1.6.C).
13

Introduction générale
A
B
C
Fig. 1.6 Coalescents simulés selon (A) l’hypothèse neutre, (B) un facteur de croissance
démographique de 1000 à l’aide du logiciel TreeToy 1.b, (C) coalescent attendu lors
d’un goulôt d’étranglement suivi d’une expansion démographique.
Outre les effets démographiques, les gènes sous sélection vont également présenter des
topologies de coalescent qui s’écartent du coalescent neutre. Les différents types de
sélection peuvent ainsi se classer en deux catégories selon qu’elles engendrent une
réduction ou un maintien du polymorphisme.
La sélection positive consiste en la fixation d’un allèle avantageux dans la population
diminuant ainsi la diversité génétique de manière drastique lors de l’augmentation en
fréquence de la mutation avantageuse dans les générations qui suivent son apparition. De
nouvelles mutations pourront alors s’accumuler dans le polymorphisme lorsque l’allèle
avantageux aura remplacé toutes les autres lignées ancestrales (notion de balayage
sélectif). Le coalescent présentera une topologie en râteau similaire à celle obtenue lors
d’un goulot d’étranglement démographique (réduction drastique de la taille de la
population et donc de la diversité puis expansion, Fig. 1.6.C). Certains gènes peuvent ne
pas être directement sous sélection positive (mutation adaptative apparue ailleurs dans un
gène proche) mais être entraînés dans le balayage (par effet autostop ou hitch-hiking) avec
le gène qui possède l’allèle avantageux. Ces gènes seront donc en déséquilibre de liaison
avec le gène porteur de l’avantage adaptatif.
14

Introduction générale
La sélection purificatrice (négative) conduit également à une réduction de diversité
génétique en éliminant les mutations délétères (ou les mutations neutres ou faiblement
avantageuses qui lui sont liées par l’effet d’un autostop : sélection d’arrière-plan ou
background selection). Par définition, elle affecte tous les gènes ayant une fonction dans
l’organisme et pour lesquels la structure de la molécule transcrite et/ou traduite nécessite
d’être conservée. De manière générale sur les parties codantes d’un gène, elle aura pour
conséquence de réduire par trois la diversité génétique attendue sous l’évolution neutre
pour une taille de population donnée (voir Li & Graur 1991). Néanmoins, son action dans
le temps est plus diffuse (pas de diminution rapide de diversité génétique) que celle
attendue lors d’une propagation d’un allèle avantageux. En conséquence, il est
extrêmement difficile de distinguer l’action de la sélection purificatrice (ou sélection
d’arrière-plan) d’un taux de mutation faible pour un gène donné ou d’un effet positif (ou
balayage sélectif) extrêmement faible de la sélection (Charlesworth et al 1993). Le
coalescent aura une topologie très semblable à une topologie neutre mais avec un nombre
beaucoup plus réduit d’allèles.
À l’inverse, différents allèles d’un même gène soumis à la sélection balancée tendront
à être conservés pendant une période de temps plus longue que des allèles neutres. La
sélection balancée engendrera donc un maintien de polymorphisme plus important que
sous la neutralité et présentera ainsi un coalescent avec des branches plus longues que dans
un coalescent neutre (Fig. 1.7).
15

Introduction générale
Fig. 1.7 Topologies d’arbres de coalescence (A) d’un gène neutre, (B) d’un gène
soumis à sélection balancée.
En pointillés, racine de l’arbre.
Si la topologie d’un coalescent seule ne permet pas, à elle seule, d’affirmer un écart
à une accumulation neutre du polymorphisme, elle constitue un indice précieux permettant
de poser des hypothèses pouvant être testées par le biais de tests statistiques. Un effet
démographique ou sélectif pouvant avoir le même impact sur la topologie du coalescent
d’un gène, il peut être difficile de discriminer ces causes. Pour cela, il est alors nécessaire
de procéder par une approche comparative : (1) un gène et plusieurs espèces si l’on
soupçonne que l’environnement ait pu affecter la dynamique des populations d’une façon
semblable au sein d’un peuplement (e.g. effet vicariant) ou (2) une espèce et plusieurs
gènes. En effet, un événement démographique affecte l’ensemble des gènes d’une espèce
de la même façon, ce qui n’est pas le cas de la sélection. Au contraire, la sélection
n’affectera qu’un nombre limité de gènes (par convergence adaptative) au sein d’une
espèce, ou d’un petit nombre d’espèces.
3.3. Structure du coalescent au regard de la géographie
Outre les effets sélectifs et démographiques, la topologie du coalescent peut
également fournir de nombreuses informations sur les processus à l’origine de la
distribution géographique actuelle de la lignée. Faire figurer sur le coalescent la
localisation géographique des lignées échantillonnées permet de visualiser la
correspondance possible entre évènements de divergence et région d’échantillonnage,
pouvant révéler la présence de barrière aux flux de gènes liée à un isolement géographique
(barrière à la dispersion, distance entre sites, voire habitats ou micro-habitats contrastés).
16

Introduction générale
Nombre d’exemples existent dans la littérature ayant mis en évidence des barrières
géographiques (voir par exemple les revues de Maggs et al 2008, Nord Est de
l’Atlantique ; Soltis et al 2006 Nord Est de l’Amérique). La force de l’isolement génétique
dépendra de la durée et de la force de l’isolement géographique.
Une barrière à la dispersion (relativement récente ou faible) pourra ainsi engendrer
des différences de fréquences génétiques de part et d’autre de cette barrière. Une approche
couplant coalescence et fréquences alléliques constitue un moyen élégant de détecter ce
type de barrière phylogéographique. Outre la représentation de la coalescence utilisant des
arbres phylogénétiques, la représentation via des réseaux de séquences permet de visualiser
plus facilement les fréquences des différents allèles, chaque cercle étant proportionnel au
nombre de séquences identiques échantillonnées. Par exemple, Goldstien et al (2006)
mettent en évidence la présence d’une barrière phylogéographique chez trois espèces de
patelles du genre Cellana qui correspond à l’actuelle séparation des îles nord et sud de la
Nouvelle Zélande (Fig 1.8). Ces auteurs attribuent l’isolement géographique au complexe
hydrographique dans la région de Cook Strait. En couplant réseaux d’haplotypes et
distribution géographique des haplotypes sur le gène mitochondrial de la Cytochrome b,
les auteurs ont ainsi montré que les haplotypes les plus fréquents, pourtant différents entre
eux d’une mutation, présentaient des fréquences différentes entre les deux îles, avec des
valeurs de différenciation génétique variable selon l’espèce (Φst de 0,829, 0,142 et 0,177
pour C. ornata, C. radians et C. flava respectivement).
Une barrière à la dispersion plus intense ou plus ancienne peut aussi engendrer une
divergence sensiblement équivalente entre lignées phylogéographiques au sein d’une
même espèce (e.g. Fig. 1.9, de Moritz & Faith 1998), voire de la co-spéciation (e.g. Dooh
et al 2006, Jolly et al 2006).
17

Introduction générale
A
B
Fig. 1.8 Illustration du couplage entre approches issues de la théorie de la coalescence
(réseaux d’haplotypes) et de la génétique des populations « classique » (fréquences
haplotypiques) sur 3 espèces du genre Cellana. Tirée de Goldstien et al (2006).
(A) Carte géographique soulignant les caractéristiques hydrographiques de la Nouvelle
Zélande. (B) réseaux d’haplotypes et distribution de ces haplotypes, les couleurs des
haplotypes sur les réseaux correspondent à celles présentent sur les cartes.
18

Introduction générale
Gnypetoscincus
queenslandiae
Orthonyx spaldingii
Poecilodryas albispecularis
Fig. 1.9 Détection d’une barrière aux flux de gènes via la correspondance entre
géographie et divergence sur les coalescents. Tirée de Moritz & Faith (1998)
Arbres phylogénétiques réalisés chez le reptile Gnypetoscincus queenslandiae et les
oiseaux Orthonyx spaldingii et Poecilodryas albispecularis au nord est de la forêt
tropicale Queensland (Australie). WT, Windsor Tableland ; CT, Carbine Tableland ; AT,
Atherton Tableland ; CR Cardwell Range. Les nombres correspondent à l’estimation de la
distance de divergence de Kimura-2-P x1000.
Si le temps de divergence séparant deux lignées peut permettre d’avoir une
estimation de la date de l’isolement géographique, la persistance d’évènements de
migration, même restreints, après l’initiation d’une barrière géographique, peut engendrer
une mauvaise estimation du début de l’isolement (Nielsen & Wakeley 2001). Beaucoup de
modèles considèrent que les populations géographiquement distinctes : (1) échangent des
migrants à un taux constant pendant un temps infini ou (2) ont divergé à partir d’une
population ancestrale à un temps t, avec absence totale de flux de gènes entre ces
19

Introduction générale
populations géographiques depuis t. Il est clair que le processus d’isolement est souvent
progressif avec des possibilités de retour en arrière (notion de zones de contact
secondaire). De fait, la perméabilité de la barrière aux flux de gènes peut être incomplète
Une divergence observée faible mais robuste sur un coalescent peut ainsi être due soit à (1)
une barrière à la dispersion complète (pas de migration depuis l’isolement) mais récente ou
(2) à une barrière à la dispersion plus ancienne mais plus perméable entraînant de la
migration sporadique entre les populations isolées et la création d’allèles recombinés entre
formes parentales (Nielsen & Wakeley 2001). Si l’isolement génétique des populations
s’est effectué en présence de migration, le temps de divergence estimé en considérant
l’absence de migration ne correspond alors pas au début du phénomène d’isolement
géographique (temps sous estimé). Des modèles d’isolement avec migration ont donc été
récemment introduits pour tenir compte des paramètres de migration dans l’estimation des
temps de divergence (Nielsen & Wakeley 2001). La position géographique de la barrière et
sa largeur peuvent également varier en fonction des capacités de dispersion des espèces,
définissant de véritables zones de transition entre ces régions phylogéographiques.
3.4. Coalescence de gènes versus séparation des lignées intraspécifiques
Si la coalescence est un outil puissant permettant notamment d’appréhender plus
aisément l’évolution d’un gène, la topologie d’un coalescent basée sur un gène ne
correspond pas nécessairement à celle de l’espèce (ou des lignées intraspécifiques, Hudson
1983, Pamilo & Nei 1988, Maddison 1997). Ainsi le coalescent d’un gène A peut
correspondre à la topologie réelle entre lignées intraspécifiques alors que celui d’un gène B
présentera une topologie différente (Fig. 1.10). Cela peut être dû à des phénomènes de
duplication du gène dans une des lignées, la perte du gène dans une des lignées mais
également à la stochasticité du processus de coalescence, notamment si celui-ci est
exacerbé par des changements démographiques locaux. Lorsqu’une seule séquence est
échantillonnée par lignée, la probabilité qu’un gène ne présente pas une topologie
concordante avec la topologie réelle a été évaluée, par Pamilo & Nei (1988), à (2/3) e -T , où
T correspond au temps séparant l’ancêtre commun le plus récent (MRCA) entre les lignées
les plus proches et le MRCA à toutes les lignées (Fig. 1.10).
20

Introduction générale
T
Fig. 1.10 Coalescence de gène versus coalescence de lignées intraspécifiques.
En bleu, représentation de la coalescence réelle des lignées intraspécifiques. En rouge,
coalescent d’un gène A en accord avec la topologie réelle de ces lignées. En vert,
coalescent d’un gène B ne reflétant pas la coalescence réelle de ces lignées.
Pour illustrer cette différence entre coalescence de gènes et coalescence d’espèces,
prenons l’exemple des mandarins diamants du genre Poephila. Jennings & Edwards (2005)
ont effectué des coalescents de 30 gènes indépendants sur ces oiseaux et ont mis en
évidence une divergence génétique entre espèces pour 28 d’entre eux. Si 16 de ces locus
montraient un regroupement de P. acuticauda (P.a.) et P. hecki (P.h.) par rapport à P.
cincta (P.c.), soit une topologie : ((P.a., P.h.), P.c.) considérée comme représentative de la
réalité ; 7 autres locus présentaient une topologie ((P.a., P.c.), P.h.) et les 5 locus restant
une topologie ((P.c., P.h.), P.a.). Le calcul de la divergence T à partir des données
observées, ne considérant que les 16 premiers locus, est concordant avec le T simulé sur
l’ensemble des locus en considérant que ces 16 locus concordent avec la topologie réelle et
que les autres locus constituent un ‘pool’ de gènes s’écartant par dérive du coalescent
‘vrai’ (Wakeley 2009). Il est donc nécessaire de comparer les topologies de plusieurs gènes
et de rester critique quant aux coalescents obtenus sur un faible nombre de gènes pour
expliquer l’histoire évolutive d’une espèce.
21

Introduction générale
4. Relâchement d’un isolement géographique
Les barrières à la dispersion se mettent en place progressivement (e.g. fermeture de
l’Isthme de Panama : Knowlton 2000) et ne sont pas immuables dans le temps. Ainsi, si la
mise en place d’une barrière peut engendrer un isolement géographique puis génétique des
populations, le relâchement de sa perméabilité peut permettre de nouveaux échanges entre
lignées dès lors que l’isolement reproductif n’est pas atteint, et favoriser des zones de
contact secondaire entre les entités taxonomiques précédemment séparées (e.g. contact
secondaire au niveau du Cap Canaveral chez le crabe du genre Menippe : Liu et al 1991,
ou le gastéropode du genre Stramonita : Bert & Arnold 1995). Si cet isolement des
populations a été suffisamment long, ces lignées peuvent ne plus être interfécondes et
seront alors considérées comme des espèces à part entière. Il en résulte alors une simple
juxtaposition des lignées dans les zones de sympatrie. Dans le cas contraire, la remise en
contact secondaire peut être suivie par la formation d’individus hybrides entre lignées
génétiques, voire d’une introgression d’allèles d’un génome dans l’autre, si l’individu
hybride est capable de se croiser avec les formes parentales. S’ils sont défavorisés, une
sélection contre les hybrides va tendre à augmenter l’isolement reproductif, s’opposant
ainsi à la migration (force homogénéisante). L’équilibre entre isolement reproductif et
migration formera alors une zone d’hybridation (Barton 1979, Barton & Hewitt 1985),
avec la mise en place d’un gradient de fréquences alléliques (cline) autour de la barrière
géographique ayant engendré la divergence entre les lignées. L’intensité du cline sera
variable en fonction de l’implication du gène étudié dans le processus d’isolement
reproductif (ou du degré de liaison des gènes avec ces gènes « verrous », Kruuk et al 1999,
Fig. 1.11).
22

Introduction générale
Fréquence allélique
0
Distance par rapport à la barrière aux flux de gènes
Fig. 1.11 Intensité du cline géographique en fonction de l’implication du gène dans
l’isolement reproductif des espèces situées de part et d’autre de la barrière. Adaptée de
Kruuk et al (1999)
En pointillés, figuration de la barrière aux flux de gènes. Les courbes représentent le cline
de fréquences alléliques pour trois gènes. Plus l’épaisseur de la courbe est importante, plus
le gène est impliqué dans l’isolement reproductif (ou lié à un gène impliqué).
23

Introduction générale
5. Biogéographie en milieu hydrothermal profond
Au fond des océans, les mouvements tectoniques des plaques ont conduit à la
formation de dorsales océaniques, lieu de l’expansion de la croûte océanique par remontée
de magma basaltique. À ce niveau, l’eau de mer froide s’infiltre par les fissures associées
aux forces de cisaillement et pénètre jusqu’à la chambre magmatique. Elle se charge alors
en métaux lourds, en gaz et en composés réduits, s’échauffe et remonte en surface
(Zierenberg et al 2000). Cette eau transformée reste en phase liquide grâce aux pressions
hydrauliques importantes présentes à ces profondeurs. Elle constitue le fluide
hydrothermal. Le contact entre ce fluide et l’eau froide du fond des océans précipite les
éléments métalliques et forme alors les cheminées hydrothermales. Géologues et
géochimistes ont longtemps débattu sur la présence de fluide hydrothermal potentiel
associé aux dorsales océaniques (zones d’accrétion), et ont ainsi effectué des campagnes
océanographiques explorant ces dorsales à la recherche d’infiltration d’eau profonde dans
le plancher océanique. Si la vie en absence de lumière et avec des pressions hydrostatiques
importantes fût mise en évidence dans les années 50 (faune abyssale : Fukushima 2000),
les propriétés physico-chimiques de ce fluide (fortes températures, pH acide, anoxie, fortes
concentrations en H 2 S) laissaient penser à l’impossibilité d’une forme de vie associée au
fluide hydrothermal. Pourtant, c’est bien là, associée à ces cheminées actives, que le 15
février 1977, des géochimistes et géologues américains ont découvert la présence d’une
faune foisonnante de vers géants et de bivalves sur la ride des Galápagos (Lonsdale 1977).
Bien que les organismes hydrothermaux consomment de l’O 2 (en provenance de la
surface des océans) pour vivre, cet écosystème ne dépend pas directement de la lumière et
de la production primaire photosynthétique. Il est essentiellement basé sur la
chimiosynthèse effectuée par des bactéries vivant libres ou associées aux métazoaires sous
forme de symbiose (Childress & Fisher 1992). C’est pourquoi, les espèces hydrothermales
se répartissent de manière concentrique autour des émissions de fluide hydrothermal,
source des éléments réduits nécessaires à cette chimiosynthèse bactérienne. Cette
organisation spatiale particulière dépend des besoins trophiques des animaux, de leurs
capacités d’adaptation à la toxicité du fluide et des compétitions inter-spécifiques pour la
ressource. Ainsi, les communautés hydrothermales forment de véritables « oasis » (Laubier
24

Introduction générale
1986) séparés parfois par plusieurs dizaines de kilomètres de « désert » abyssal. Elles sont
donc entièrement dépendantes des sources hydrothermales actives et, de ce fait, la plupart
des espèces formant ces communautés sont endémiques de ce milieu et disparaissent à
l’arrêt des émissions.
Or, la durée de vie de ces sources hydrothermales est limitée dans le temps et
dépend de la vitesse d’accrétion de la dorsale sur laquelle elles se forment. Les fissures par
lesquelles l’eau ressort sous la forme du fluide hydrothermal peuvent s’obstruer, par
colmatage métallique des conduits provoquant ainsi le tarissement de la source. D’autres
fissures se reformeront plus ou moins loin de la source éteinte, donnant ainsi naissance à
une nouvelle source active. L’instabilité du milieu est donc à la fois spatiale et temporelle.
Plus l’accrétion est rapide, plus le milieu est instable. Les espèces connaissent ainsi de
véritables phases d’extinction par destruction rapide de l’habitat (épanchements de lave sur
les sites d’activité) affectant souvent la quasi-totalité d’un champ hydrothermal (Haymon
et al 1991, Jollivet 1993, Tunnicliffe et al 1997). Ces phases d’extinction sont très
rapidement suivies d’un ‘bloom’ bactérien et d’une recolonisation massive de l’habitat,
d’abord par la faune vagile (crabes, galathées) puis par la faune sessile (vestimentifères)
avec des taux de croissance extrêmement élevés (Lutz et al 1994, Shank et al 1998) faisant
de ce milieu, un cas exemplaire de fonctionnement en métapopulation (Vrijenhoek 1997,
Jollivet et al 1999).
Les sources hydrothermales sont présentes dans tous les océans (Fig. 1.12). Si de
nombreux sites hydrothermaux ont d’ores et déjà été découverts, le système de dorsale
médio-océanique représente près de 60 000 km de long et reste encore largement
inexploré. Pratiquement aucune mission n’a été effectuée le long des dorsales Antarctique
et Indienne (Fig. 1.12), bien que la présence de sources hydrothermales y ait été détectée
récemment (Bohrman et al 1999). Il n’est ainsi pas rare de mettre à jour de nouvelles
sources actives lors de plongées sur des zones encore non visitées, la dernière découverte
en date a ainsi été effectuée en août/septembre 2008 sur la dorsale du Pacifique oriental (ou
East Pacific Rise, EPR ; 102,6º Ouest / 2,1º Sud) lors de la mission chinoise DY115-20.
25

Introduction générale
Fig. 1.12 Localisation des sources hydrothermales et des provinces biogéographiques. Adaptée de Desbruyères et al (2006b)
En cercle noir, les provinces biogéographiques généralement admises : 1, dorsale pacifique orientale ; 2, dorsale pacifique nord ; 3, dorsale
médio-atlantique ; 4, bassins arrière arc du pacifique occidental ; 5, sources hydrothermales de l’océan Indien.
En cercle bleu, les provinces biogéographiques proposées par certains auteurs (voir texte) : a, dorsale pacifique orientale nord et Galápagos ;
b, dorsale pacifique orientale sud ; c, région des Azores ; d, dorsale médio-atlantique au sud des Azores ; e, pacifique occidental nord ; f,
pacifique occidental sud et sources hydrothermales de l’océan Indien
26

Introduction générale
Depuis la découverte de la faune hydrothermale, le nombre d’espèces décrites n’a
cessé d’augmenter (533 recensées dans Desbruyères et al 2006b, mais des dizaines d’autres
espèces sont actuellement en cours d’identification). Leur distribution géographique a
rapidement suscité l’intérêt des biogéographes. Malgré la très grande homogénéité des
conditions hydrothermales à l’échelle du globe, la composition faunistique du milieu
hydrothermal présente en effet de nombreuses disparités géographiques. L’ensemble des
auteurs s’accorde pour définir au moins cinq provinces biogéographiques différentes
(Tunnicliffe 1991, Tunnicliffe et al 1998, Van Dover et al 2002, Tyler et al 2003, Fig.
1.12).
L’EPR fut la première province biogéographique identifiée. Sa composition
faunistique (Fig. 1.13) est dominée en biomasse par les vers géants Riftia pachyptila, les
bivalves Bathymodiolus thermophilus et Calyptogena magnifica et les espèces de
polychètes Alvinellidae (telles que le vers de pompéi Alvinella pompejana, animal résistant
à des températures élevées, pouvant atteindre, pendant de courtes durées, 105°C,
Chevaldonné et al 1992) et, en nombre, par des gastéropodes de petite taille, notamment
les Lepetodrilidae et les Peltospiridae (Hessler et Smithey 1983, Fustec et al 1987).
La seconde province biogéographique décrite fut la dorsale du Nord-Est Pacifique.
Cette province est composée principalement par une faune similaire à celle de l’EPR mais
composée de genres et/ou de familles proches, tels que le ver géant Ridgeia piscesae, les
polychète Alvinellidae Paralvinella sulfincola et P. palmiformis (Tunnicliffe et al 1985,
1986, Fig. 1.13). Il s’agit de la seule province biogéographique décrite qui ne compte pas
de moules hydrothermales du genre Bathymodiolus (Tyler et al 2003, les moules décrites
sur cette province sont des genres Benthomodiolus à Gorda et Idas et Adipicola sur Juan de
Fuca). La subduction de la plaque Pacifique sous la plaque Farallon il y a environ 35
millions d’années, aurait divisé la dorsale océanique de part et d’autre de l’Amérique du
Nord, engendrant un événement de vicariance majeur ayant conduit à la différenciation de
ces deux provinces biogéographiques par la mise en place de faunes jumelles (Tunnicliffe
1988).
La dorsale médio-Atlantique constitue la troisième province biogéographique mise
en évidence, probablement séparée des provinces pacifiques lors de la fermeture de
l’isthme de Panama (∼10 Ma, Van Dover et al 2002). En plus des moulières de
Bathymodiolus azoricus et B. puteoserpentis, la composition faunistique de cette province
contraste fortement avec les deux précédentes. Ainsi, les vestimentifères tubicoles sont
27

Introduction générale
absents et de véritables essaims de crevettes de l’espèce Rimicaris exoculata recouvrent
parfois certaines cheminées hydrothermales (Desbruyères et al 2000, Fig. 1.13). On
retrouve cependant une dominance numérique de certains petits gastéropodes (Lepetodrilus
atlanticus, Protolyra valvatoides) à certains endroits de la dorsale.
La faune hydrothermale des bassins arrière arc du pacifique occidental est
également dominée par les bivalves du genre Bathymodiolus (i.e. B. brevior, B.
septemdierum, B. elongatus) mais également par des gastéropodes symbiotiques de grande
taille appartenant à la famille des Provannidae tels que Alviniconcha hessleri et Ifremeria
nautilei (Desbruyères et al 1994, Fig. 1.13).
Enfin, découverts récemment, les sites hydrothermaux de l’océan Indien semblerait
constituer une cinquième province biogéographique, bien que de nombreuses espèces
restent encore à décrire et que les faunes paraissent intermédiaires entre la zone Atlantique
et celle du Pacifique occidental (Van Dover et al 2001a). Cette province est dominée par
des crevettes Bresiliidae (proche de celles trouvées en Atlantique), des anémones et des
gastéropodes de grande taille dont certains sont proches de ceux trouvés dans le pacifique
occidental (Hashimoto et al 2001, Van Dover et al 2001a) alors que d’autres semblent
endémique de l’océan Indien (gastéropode possédant un pied avec des écailles, Waren et al
2003, Fig. 1.13). La fermeture de la mer de Tethys (90 Ma) a pu gêner la connectivité entre
cette province et la dorsale médio-Atlantique (Hessler & Lonsdale 1991). Il est cependant
fort probable que des connections récentes aient pu être établies au travers de l’Atlantique
sud et le long de la dorsale Antarctique.
Outre ces cinq provinces biogéographiques généralement admises, des auteurs
proposent de diviser certaines de ces provinces en sous provinces biogéographiques
différentes sur la base d’analyses multivariées de la composition faunistique en
présence/absence (Fig. 1.13). Van Dover et al (2002) proposent ainsi de subdiviser la
dorsale médio-atlantique en deux provinces distinctes (plateau des Azores vs region
equatoriale de la ride médio-atlantique) en supposant que la formation du plateau des
Azores (∼20 Ma) ait pu isoler les faunes par vicariance. Bachraty et al (2009) suggèrent
d’intégrer les sources hydrothermales de l’océan Indien aux bassins arrière arc les plus sud
de la province du Pacifique occidental et de séparer la province du Pacifique oriental en
deux provinces (nord et sud). La majorité des espèces sont néanmoins capables de franchir
cette barrière biogéographique équatoriale. Pour ces espèces, il est donc intéressant
d’étudier l’impact de cette barrière à un niveau phylogéographique. L’histoire de la
28

Introduction générale
formation de l’EPR ainsi que ses caractéristiques géotectoniques peuvent également
apporter des informations précieuses pouvant permettre d’expliquer l’évolution des
espèces dans un cadre géodynamique.
Dorsale médio-atlantique nord et sud
Dorsale du Pacifique nord
Ridgeia piscesae
Paralvinella
Rimicaris exoculata
Bassins arrière arc du Pacifique occidental
Bathymodiolus azoricus
Dorsale du Pacifique oriental
Alvinella pompejana
Ifremeria nautilei
Océan Indien
Alviniconcha hessleri
Bathymodiolus brevior
Riftia pachyptila
Calyptogena magnifica
Gastéropode avec un
pied à écailles
Bathymodiolus thermophilus
Fig. 1.13 Espèces emblématiques des cinq provinces biogéographiques initialement décrites
29

Introduction générale
6. Dorsale du Pacifique oriental (EPR)
6.1. Vitesses d’accrétion et géomorphologie du rift
La morphologie des dorsales varie en fonction (1) de la vitesse d’accrétion et (2) du
taux d’approvisionnement en magma (MacDonald et al 1991). En effet, une dorsale à
faible vitesse d’accrétion (10 à 40 mm/an) présente généralement une vallée au niveau du
rift axial de 1 à 3 km de profondeur (graben axial). C’est le cas de la dorsale médio
Atlantique. Une dorsale à vitesse d’accrétion élevée (90 à 170 mm/an) est caractérisée par
une élévation du plancher océanique de plusieurs centaines de mètres au niveau de son axe
mais pas de vallée axiale (sillon de 50 mètres de large caractérisant une dorsale en dôme).
Enfin, une dorsale à vitesse d’accrétion intermédiaire (40 à 90 mm/an) peut présenter un
axe élevé avec une vallée généralement peu profonde suivant la quantité de magma
fournie. Une forte production de magma peut néanmoins engendrer un axe élevé en dépit
d’une vitesse d’accrétion faible.
L’axe des dorsales, séparant deux plaques tectoniques, n’est pas continu. Les
ruptures d’axe de la dorsale ont lieu dans les régions présentant une quantité de magma
moindre (MacDonald et al 1991). Dans le cas d’accrétion rapide, le magma se concentre en
vastes réservoirs formant ainsi, sous la dorsale, un véritable collier de perles. C’est donc
entre chaque perle (chaque réservoir, i.e. dans la zone de discontinuités des processus de
convection thermique) qu’ont lieu les ruptures de l’axe de la dorsale. Au contraire, lorsque
l’accrétion est lente, le magma ne se concentre pas en vaste réservoir mais forme de
multiples « gouttelettes » sous la dorsale. Ainsi, les points de rupture de l’axe de la dorsale
seront plus nombreux pour une dorsale à vitesse d’accrétion lente, augmentant ainsi par la
même, les barrières potentielles à la dispersion. Une dorsale à vitesse d’accrétion élevée
présentera, quant à elle, une activité magmatique plus importante, pouvant augmenter la
probabilité d’extinction/recolonisation des populations hydrothermales associées.
L’EPR est une dorsale à vitesse d’accrétion variable selon le segment considéré (de
80-125 mm/an et de 125-152 mm/an respectivement le long des frontières Pacifique-Cocos
et Pacifique-Nazca : Cormier 1997). Elle présente ainsi un degré de segmentation moindre
que la dorsale médio-atlantique (MAR, Magde & Spark 1997). Cependant, on observe une
forte diversité structurale entre les différents segments de la dorsale allant des dorsales en
30

Introduction générale
dôme caractérisée par un volcanisme de type effusif (7°25S ou 17°25S avec de nombreux
épanchements de lave en coussin) à des dorsales entaillées par des graben profonds et
fortement tectonisés (21°25S)(cf Renard et al 1985). On peut ainsi penser que les
populations de l’EPR sont moins structurées que celles de MAR. Cependant, la plus grande
diversité biologique spécifique de l’EPR (Tunnicliffe 1991) suggère que la faune de la
dorsale EPR pourrait être plus ancienne que celle de MAR, laissant plus de temps à la
faune pour se différencier. La vitesse d’accrétion de l’EPR sud (entre 14°S et 22°S) est la
plus élevée au monde. Les populations de l’EPR sud pourraient donc avoir un taux de
renouvellement plus grand et donc des goulots d’étranglement (bottleneck) plus fréquents.
L’histoire de la formation de l’EPR ainsi que ses caractéristiques géotectoniques
sont donc autant de paramètres à prendre en considération pour expliquer les patrons
phylogéographiques des espèces de cette dorsale.
6.2. Définition et principe d’une faille transformant et d’une
microplaque
En modifiant l’axe de la vallée axiale de la dorsale, les failles transformantes peuvent
engendrer des barrières à la dispersion. Ces failles sont la conséquence des forces de
cisaillement portées en différents points de la dorsale selon les vitesses d’accrétion et les
mouvements des plaques. Ces failles telles que celles de la zone de fracture Rivera peuvent
décaler la dorsale sur plusieurs centaines de kilomètres et constituer des disruptions dans
l’écoulement des courants de fonds à l’axe des dorsales. En général, ces failles datent de
quelques millions d’années (1 à 4 Ma).
La formation d’une microplaque peut se résumer en trois étapes (Fig. 1.14). La
première consiste en une fracturation de la dorsale en deux morceaux (rupture de l’axe par
des failles transformantes). La seconde étape est la propagation des deux morceaux de
dorsale en sens opposé, constituant ainsi un système de deux morceaux de dorsale
parallèles. Dans la troisième étape, les deux morceaux de dorsale se rejoignent pour former
une microplaque.
31

Introduction générale
A B C D
3
1
M
2
4
Fig. 1.14 Schématisation de la formation d’une microplaque.
A, dorsale sans fracturation ; B, fracturation de la dorsale ; C, propagation en sens inverse
des morceaux de dorsale ; D, isolement de la microplaque (M).
1, Ouest de la microplaque ; 2, Est de la microplaque; 3, jonction nord ; 4, jonction sud.
6.3. Histoire de la formation de la dorsale EPR
La dorsale du Pacifique oriental telle qu’on la considère actuellement (EPR) est située
à l’ouest de l’Amérique du Sud entre les plaques Pacifique et Cocos au Nord et entre les
plaques Pacifique et Nazca au Sud. Elle s’étend ainsi entre les latitudes 30°N et 40°S. La
dislocation de la plaque Farallon (par subduction sous la plaque Pacifique) a produit un
plancher océanique structurellement chaotique entraînant la naissance de la microplaque
Mendoza, il y a 24 Ma (Eakins & Lonsdale 2003, Fig. 1.15).
32

Introduction générale
Fig. 1.15 Schématisation de l’histoire évolutive de l’EPR.
En blanc : dorsale nord pacifique
En rouge : dorsale ancestrale qui s’inactive (pointillés) ayant donné lieu à l’EPR actuelle, à
partir du point de fracture (cercle noir). Les flèches indiquent la propagation des dorsales.
MR, Mathematician Ridge ; MT, Moctezuma Trough, GR, Galapagos Rise
Cercle vide : microplaque. mr, microplaque mathématicienne ; mb, microplaque Bauer ; mp,
microplaque de Pâques ; mjf, microplaque Juan Fernandez
33

Introduction générale
À 20-18,5 Ma, à 13°S, la zone de fracture Marquesas/Mendana donne « naissance » à une
autre zone de fracture appelée l’oEPR (EPR d’origine, Fig. 1.15). L'ancienne dorsale
s’inactive progressivement et se trouve séparée en plusieurs morceaux fossiles: Selkirk
Rise, Roggeveen Rise, Mendoza Rise et Galápagos Rise à l'Est de l'oEPR et Gallego Rise à
l'Ouest (Mammerick et al 1980). L’oEPR connaît ensuite différentes modifications avec la
formation et/ou capture de diverses microplaques.
6.3.1. La microplaque Bauer (Eakins & Lonsdale 2003) : 10°S-18°S
La microplaque de Bauer a commencé sa formation il y a 17 Ma à partir d’un
dédoublement du centre d’accrétion de l’oEPR. Les deux morceaux de dorsale générés par
faille transformante sont alors nommés iEPR pour la fraction sud (1, Fig. 1.14 et la
Galápagos Rise (GR, ne correspond pas à la dorsale Cocos-Nazca située au large des îles
Galápagos) pour la fraction nord (2, Fig. 1.14). De 15 à 11 Ma, les dorsales iEPR et GR se
propagent l’une vers l’autre. Les rifts formés à l’extrémité des axes de propagation
engendrent un relief escarpé à la marge de ces dorsales. Cette propagation des dorsales
s’effectue de manière oblique par rapport à leur pôle de rotation respectif, engendrant ainsi
la formation de nouvelles fractures (offsets) perpendiculaires aux axes d’accrétion. À 11
Ma, iEPR et Galapagos Rise se remettent en contact par l’intermédiaire des failles
transformantes Garrett (3, Fig. 1.14) et Dana et Woce (4, Fig. 1.14), isolant ainsi la
microplaque Bauer.
6.3.2. La paléoplaque Mathematician (Mammerick et al 1980, Mammerick &
Klitgord 1982) : 12°N-17°N
À 10 Ma, la Moctozuma Trough se forme à l’Est de la Mathematician Ridge entre
12°N et 17°N (Mammerick & Klitgord 1982, Fig. 1.15), parallèlement à celle-ci.
Moctozuma Trough et Mathematician Ridge se rejoignent (formation des zones de fracture
Riviera et O’Gorman au Nord et au Sud, respectivement), formant la paléoplaque
Mathematician. Elles coexistent pendant 3-5 Ma puis la Mathematician Ridge s’inactive
(7-5 Ma), engendrant l’annexion de la paléoplaque Mathematician à la plaque Pacifique
(Mammerick & Klitgord 1982). La Moctezuma Trough est ainsi rattachée à l’iEPR pour
donner l’EPR actuelle (Mammerick et al 1980).
34

Introduction générale
6.3.3. Capture de la microplaque Bauer et formation des microplaques de
Pâques (Naar & Hey 1991, Rusby & Searle 1995, ~25°S) et Juan
Fernandez (Larson et al 1992, 30°S-36°S)
À ~5,8 Ma, la microplaque Bauer (10°S-18°S) est capturée par subduction, sous la
plaque Nazca (Eakins & Lonsdale 2003) et n’existe donc plus actuellement.
À peu près à la même période que la capture de la microplaque Bauer, ~5,89 Ma,
l’EPR se fracture à la latitude d’environ 25°S isolant 2 segments de dorsales (Naar & Hey
1991, Rusby & Searle 1995). À 5,25 Ma, le segment de dorsale situé au Sud Est de cette
fracture commence sa propagation vers le Nord. À 2,5 Ma, sa vitesse de propagation
diminue et s’arc-boute sur le segment de dorsale situé au Nord Ouest, lequel entame une
propagation en forme d’arc vers le sud, imprimant un début de rotation de la microplaque
de Pâques dans le sens inverse des aiguilles d’une montre (contrairement à la microplaque
de Bauer et à la schématisation sur la Fig. 1.14). La dorsale occidentale isole la
microplaque au Sud et la dorsale orientale cesse sa propagation. Actuellement, la
microplaque de Pâques n’est toujours pas isolée au Nord (Fig. 1.16).
Encore un peu plus au sud, la microplaque Juan Fernandez (Fig. 1.16, Larson et al
1992) est issue de la propagation vers le Sud de ce qui reste du segment sud de la dorsale
EPR ayant joué un rôle dans la formation de la microplaque de l’île de Pâques, et sa
rencontre, il y a 3,4 Ma, avec la dorsale Pacifique-Antarctique s’étendant vers le nord. À
2,5 Ma, la microplaque est isolée au Sud puis s’isole complètement au Nord (0,7 Ma) via
la Deep Endeavour.
35

Introduction générale
Fig. 1.16 Géomorphologie actuelle de la dorsale pacifique orientale.
PAR, Dorsale Pacifique-Antarctique ; ZF, zone de fracture
6.4. Potentielles barrières à la dispersion
6.4.1. Failles transformantes
Les failles transformantes retrouvées à l’équateur sont datées de 1-2 Ma entre 9°N et
17°S (Kureth & Rea 1981, Naar & Hey 1989, Francheteau et al 1990, Fig. 1.16). L’impact
de ces failles sur les espèces en tant que barrière à la dispersion peut différer en fonction
36

Introduction générale
des capacités de dispersion de ces espèces et du comportement de leurs larves potentielles
dans la colonne d’eau. Ainsi, Johnson et al (2006) ont montré que la faille transformante
Blanco (dorsale pacifique nord) datée de 3,5 Ma serait responsable de la spéciation
allopatrique de Lepetodrilus fucensis et L. gordensis alors que son impact est moindre
pour Ridgeia piscisae (différenciation génétique mais absence de monophylie réciproque,
Young et al 2008).
6.4.2. Courants océaniques profonds
Certains courants océaniques profonds transverse à l’axe de la dorsale peuvent
également réduire la dispersion et jouer un rôle de barrière. Ainsi, divers gyres ont été mis
en évidence (Reid 1997) le long de l’EPR. Au niveau des zones de contact entre 2 gyres, la
dispersion latitudinale des larves pourrait ainsi être limitée. Ces zones de contact sont
situées au niveau de l’équateur, aux environs de 13°N, 15°S et de 32°S (Fig. 1.17).
Fig. 1.17 Courants océaniques profonds (en rouge et bleu) proche de l’EPR et de la
dorsale Cocos-Nazca (en jaune). Modifiée de Reid 1997.
37

Introduction générale
7. Structure génétique des espèces de la dorsale du Pacifique oriental
Les caractéristiques éphémères et fragmentées du milieu hydrothermal ont
rapidement suscité de nombreuses interrogations quant aux capacités de dispersion des
espèces et au degré de connexion entre les populations. Par exemple, des études menées
sur le bivalve Calyptogena magnifica ont montré que, bien que présentant de la structure
génétique entre population (Hurtado et al 2003), les larves de cette espèce seraient
capables de se disperser sur l’ensemble de leur aire de distribution (i.e. plusieur milliers de
km, Karl et al 1996). De plus, Kojima et al (2004) ont mis en détecter au moins huit
événements de migration tras-Pacifique, deux évènements entre le Pacifique Nord-Ouest et
Sud-Ouest et deux autres les océans Pacifique et Atlantique dans l’histoire évolutive des
Vesicomidae.
L’EPR suscite également un intérêt d’autant plus grand qu’elle présente des vitesses
d’accrétion importantes et donc un fort taux d’extinction/recolonisation. Des approches
directes visant à comprendre le comportement des larves ont ainsi été réalisées (e.g.
recrutement des larves sur des blocs de basalte déployés sur le site 9°50’N, Mullineaux et
al 1998 ; processus de développement des embryons d’A. pompejana en fonction des
conditions environementales, Pradillon et al 2005) mais restent relativement difficiles à
mettre en œuvre du fait de la faible accessibilité du milieu. Des approches indirectes,
encore peu nombreuses, basées sur l’analyse de la structure génétique des espèces
hydrothermales ont ainsi été initiées afin de mieux comprendre l’impact de la dispersion
sur la distribution spatiale des espèces ainsi que l’impact de l’environnement (en termes de
fragmentation et d’instabilité) sur le degré de connectivité (migration efficace) et les
fluctuations en taille des populations
7.1. Quels modèles de dispersion pour les espèces de l’EPR ?
Sur la base des données génétiques, les espèces hydrothermales étudiées sur l’EPR
semblent capables de disperser sur des centaines de kilomètres et répondraient à un modèle
classique de métapopulation de Levin (modèle en îles + extinction/recolonisation). Ces
données apparaissent en contradiction avec l’hypothèse première d’un isolement linéaire
par la distance proposée par Lutz (1988) sur la base d’une distribution fragmentée et uni-
38

Introduction générale
directionnelle de l’habitat hydrothermal et du mode de développement lécithotrophique des
larves prépondérant en milieu hydrothermal (cf Tyler & Young 1999). Bien que ne
présentant pas les mêmes types de larves (planctotrophes versus lécithotrophes), des études
utilisant des marqueurs allozymiques et/ou des séquences du gène mitochondrial
Cytochrome Oxydase I (COI) ont ainsi montré que les structures génétiques de
Bathymodiolus thermophilus (Grassle 1985, Craddock et al 1995) et Alvinella pompejana
(Jollivet et al 1995) se conformeraient à un modèle en îles (migration importante entre les
sites). En modélisant les capacités de dispersion de ces espèces, Jollivet et al (1999)
proposent d’ajuster la dispersion de B. thermophilus à un modèle de métapopulation de
type « migrant ». Pareillement, les études allozymiques effectuées sur les gastéropodes
Lepetodrilus pustulosus et Eulepetopsis vitrea (Craddock et al 1997) n’ont pas montré
d’isolement par la distance et, suggèrent également une dispersion suivant un modèle en
îles. À l’inverse et paradoxalement, France et al (1992) furent les premiers à proposer la
présence d’un isolement par la distance chez une espèce hydrothermale vagile,
l’amphipode Ventiella sulfuris, capable de se déplacer en essaims d’un site à un autre. Ces
auteurs relient néanmoins cette structure de populations au fait que l’animal a un
développement direct, les oeufs fécondés se développant dans un organe appelé le
marsupium. Néanmoins, la mise en évidence de ce modèle d’isolement apparaît biaisée par
un échantillonnage de deux groupes de sous-populations différenciées fortement distantes
respectivement sur l’EPR nord et la dorsale Cocos-Nazca. L’hypothèse d’une telle barrière
entre les 2 dorsales avait d’ailleurs été émise par Grassle (1985) et Jollivet et al (1995)
pour expliquer l’augmentation de la différenciation génétique observée chez les espèces
Bathymodiolus thermophilus et Paralvinella grasslei. De nouvelles analyses effectuées
uniquement avec les sites de l’EPR (Vrijenhoek 1997) ont abouti, sous l’hypothèse du
modèle en îles, à de fortes valeurs de migration entre les sites de l’EPR (11,6 individus par
génération). Si un isolement par la distance a également été détecté à cette échelle spatiale,
il semblerait qu’il s’agisse également d’un second biais résultant de la séparation des
populations de part et d’autre de la zone de fracture Riviera (Vrijenhoek 1997). Dans ce
cas, la différenciation observée résulte plus de la mise en place de barrières physiques à la
dispersion qu’à un effet de la distance géographique. Des échantillonnages et analyses
complémentaires s’avèrent donc nécessaires pour infirmer ou confirmer l’existence d’un
isolement par la distance chez V. sulfuris. Au contraire, la structure génétique du
siboglinidae Riftia pachyptila semble, quant à elle, s’ajuster de manière moins critiquable à
un modèle avec isolement par la distance (Black et al 1994), et ce malgré une autonomie
39

Introduction générale
dispersive de la larve assez grande (3 semaines à 1 mois : Marsh et al 2001). L’étude,
réalisée sur un nombre de champs hydrothermaux plus importants, prend en effet soin de
supprimer les sites ayant potentiellement divergé de part et d’autre d’une barrière à la
dispersion (Vrijenhoek 1997). À l’heure actuelle, R. pachyptila est la seule espèce étudiée
de l’EPR pour laquelle un isolement par la distance a été mis en évidence. Cependant,
Shank & Halanych (2007) ont toutefois récemment montré l’existence de migrants sur de
longues distances entre 9°50’N et Guyamas chez cette espèce, allant à l’encontre des
résultats de Black et al (1994).
7.2. Existence de barrières génétiques chez les espèces de l’EPR
Les premières études génétiques sur l’EPR ne se sont intéressées qu’à une échelle
géographique restreinte (EPR nord) sans pouvoir mettre en évidence la présence de
barrière à la dispersion à cette échelle (A. pompejana, Jollivet et al 1995 ; B. thermophilus,
Craddock et al 1995) et, ce malgré la présence de la FZ Rivera (la faille la plus longue
connue sur l’EPR). Néanmoins, la plupart de ces études démontrent une différenciation des
populations entre l’EPR nord et la dorsale Cocos-Nazca (B. thermophilus : Grassle 1985 ;
V. sulfuris : France et al 1992 ; Paralvinella grasslei : Jollivet et al 1995 ; Calyptogena
magnifica : Karl et al 1996).
Les études plus récentes basées sur l’analyse de séquences ADN ont élargi le champ
d’investigation en échantillonnant des sites provenant de l’EPR sud, et révélé l’existence
de diverses barrières génétiques par des méthodes plus sensibles utilisant la divergence
inter-individuelle :
(1) Des clades monophylétiques ont été identifiés chez A. pompejana de part et
d’autre de l’équateur, suggérant un impact important d’une barrière située à ces
latitudes, qu’elle soit de type hydrologique gyre ou de nature tectonique (Hess
Deep, failles transformantes Quebrada/Discovery/Gofar). Cette barrière pourrait
également, dans une moindre mesure, être responsable de la différenciation des
populations de Tevnia jerichonana.
(2) La microplaque de Pâques aurait joué un rôle de barrière à la dispersion chez R.
pachyptila (COI : Hurtado et al 2004) mais également chez B. thermophilus
(COI et allozymes : Won et al 2003). Won et al (2003) suggère ainsi que la
40

Introduction générale
divergence accumulée de part et d’autre de cette microplaque a engendré deux
espèces cryptiques chez B. thermophilus par spéciation allopatrique. Les
polychètes Branchipolynoe symmytilida et A. pompejana ne semblent cependant
pas affectés par cette barrière (Hurtado et al 2004, COI).
(3) Won et al (2003) ont montré l’existence d’une différenciation génétique sur B.
thermophilus située entre 11°S et 17°S. Ces auteurs ont suggéré que cette
différenciation génétique pourrait être due à un gyre profond présent à 15°S.
(4) Une structure génétique a également été observée entre plusieurs populations de
l’EPR chez Riftia pachyptila via des AFLP (9°N/17°S, Shank & Halanych
2007). De même, deux espèces cryptiques avec potentialités d’hybridation ont
été mises en évidence chez Lepetodrilus elevatus, la première échantillonnée à
13°N et 9°50’N et la seconde à 9°50’N et 17°S (COI et allozymes, Matabos et
al 2008b). Néanmoins, des analyses complémentaires sont nécessaires pour
définir plus précisément la localisation des barrières potentielles aux flux de
gènes chez ces espèces.
Ces études constituent ainsi les prémices d’une étude de phylogéographie comparée
sur la dorsale du Pacifique oriental. Peu d’analyses (cf. Hurtado et al 2004) ont pour le
moment été effectuées afin de tester ces hypothèses d’événements de vicariance communs
entre espèces, ou d’évaluer le sens de colonisation préférentiel de la dorsale. Si certaines
études ont tenté de détecter de l’hybridation entre les lignées divergentes observées sur le
COI en couplant ce gène à des données allozymiques (Karl et al 1996, Won et al 2003,
Matabos et al 2008b), le pouvoir résolutif des allozymes reste toutefois faible comparé à
celui des séquences de gènes nucléaires. L’utilisation de gènes nucléaires pourrait ainsi
permettre de mieux évaluer les contours d’une espèce donnée et notamment de savoir si
l’existence de lignées mitochondriales distinctes coincide réellement avec l’existence
d’espèces cryptiques (notion de monophilies réciproques à tous les gènes) ou, a contrario
de comprendre ces phénomènes d’hybridation potentiels par l’utilisation de méthodes
basées sur la théorie de la coalescence. De plus, la comparaison de plusieurs gènes et/ou
plusieurs espèces pourrait permettre de mieux appréhender l’histoire démographique des
populations de l’EPR, jusqu’alors largement négligée et notamment son rôle dans la
structuration génétique des populations actuelles. Enfin, l’approche multi-locus fournit un
moyen particulièrement puissant de détecter des effets sélectifs potentiels sur certains
gènes.
41

Introduction générale
8. Objectifs de la thèse
L’objectif de ce travail est de réaliser une étude phylogéographique de la dorsale du
Pacifique oriental en combinant des approches classiques d’analyses de fréquences
alléliques dans les populations et de leurs distributions géographiques avec des méthodes
d’analyse plus récentes basées sur la théorie de la coalescence. Ces approches combinées
permettent de détecter d’éventuelles barrières à la dispersion, de les localiser spatialement,
et de mesurer leur degré de perméabilité. Les études de coalescence permettent de plus
d’en évaluer l’âge, de chercher à savoir s’il existe un sens de la colonisation le long de la
dorsale et de mieux comprendre l’histoire démographique des espèces en présence. Pour
cela, nous avons d’abord opté pour une approche comparative entre sept espèces en
regardant plus spécifiquement le gène mitochondrial COI. Nous avons ensuite traité
plusieurs cas d’espèces à l’aide de plusieurs types de marqueurs (COI, gènes nucléaires,
allozymes) en choisissant des espèces appartenant à 2 embranchements : annélide et
mollusque. Les 3 espèces étudiées (le ver de pompei Alvinella pompejana, le bivalve
Bathymodiolus thermophilus et le gastéropode patelliforme Lepetodrilus elevatus) ont été
choisies pour 2 raisons : (1) des stratégies reproductives et des modes de développement
larvaire différents et (2) il s’agit d’espèces pour lesquelles des banques de gènes sont
disponibles. L’approche multi espèces avait notamment pour but de tester des hypothèses
d’événements de vicariance associés à une éventuelle séparation des faunes et chercher à
savoir si ces espèces pouvaient avoir eu une histoire démographique commune.
L’approche multi gènes nous a permis, quant à elle, d’appréhender les phénomènes
d’hybridation entre lignées divergentes, de mieux comprendre les patrons de migration et
de détecter des gènes potentiellement sous sélection.
42

Chapitre 2
Chapitre 2 : Méthodes et biais méthodologiques
1. Stratégie d’échantillonnage
Les échantillons utilisés pour ce travail de thèse sont principalement issus de
plusieurs campagnes océanographiques françaises le long de la dorsale EPR. Les premières
campagnes (HOT96, HOPE99, PHARE2002) ont été menées au Nord de l’équateur sur les
sites situés à 13°N et 9°50’N et avaient notamment pour objectif d’étudier les flux
géniques entre les sites hydrothermaux présents au sein d’un ou deux champs
hydrothermaux (un champ hydrothermal étant composé de plusieurs sites). La campagne
océanographique BIOSPEEDO 2004 visait à élargir l’étude des flux de gènes à des champs
hydrothermaux situés au Sud de l’EPR afin de mieux comprendre le rôle des failles
transformantes, microplaques et courants océaniques profonds dans la structure génétique
des populations. Une collaboration avec Timothy Mark Shank, chercheur au Woods Hole
Oceanographic Institute a permis de compléter cet échantillonnage au Nord de la dorsale
(campagne Extreme 2003) pour l’espèce L. ovalis qui n’avait pas été récoltée lors des
campagnes françaises, l’espèce n’ayant pas été trouvée.
Il est nécessaire de prendre conscience de la difficulté d’échantillonner en milieu
hydrothermal profond. En effet, les sites étant généralement situé à plus de 2000 m de
profondeur, l’accès aux échantillons nécessite des moyens technologiques et humains
importants. Les prélèvements sont ainsi effectués par des submersibles hautement
résistants aux fortes pressions (sphère titane). Ces submersibles peuvent être habités (pour
cette étude, utilisation du sous-marin français Nautile lors des campagnes HOT96,
HOPE99 et BIOSPEEDO 2004, et du sous-marin américain Alvin lors de la campagne
Extreme 2003, Fig. 2.1.A, 2.1.B, 2.1.C) ou télécommandé depuis la surface à partir d’une
laisse avec un câble électroporteur (pour l’alimentation en énergie) et des faisceaux de
fibres optiques (pour récupérer les informations) (utilisation du Remote Operated
Vehicule, ROV Victor 6000 pour la campagne PHARE 2002 Fig. 2.1.D). Il convient
également de rappeler la difficulté d’observation liée à l’obscurité (l’éclairage des
43

Chapitre 2
bathyscaphes permettant un champ de vision de quelques mètres) et le temps
d’échantillonnage limité (une dizaine d’heures pour un submersible habité par plongée).
Les animaux sont récoltés à l’aide des bras télé-manipulés de ces bathyscaphes (Fig.
2.1.E), placés dans des paniers isothermes (Fig. 2.1.F) et remontés en surface
(décompression des organismes). À bord du navire océanographique (N/O L’Atalante pour
les campagnes françaises et R/V Atlantis pour la campagne américaine, Fig 2.1.G, 2.1.H),
ils sont alors triés par espèce et préservés dans l’éthanol absolu ou congelé à -80°C ou dans
l’azote liquide pour les extractions d’ADN/ARN réalisées à terre.
44

Chapitre 2
A
B
C
D
E
F
G
H
Fig. 2.1 Moyens à la mer et équipements utilisés pour effectuer les échantillonnages
nécessaires à la thèse.
A et B, submersible habité Nautile ; C, submersible habité Alvin ; D, ROV Victor 6000
C, pince télé-manipulée (ici de l’Alvin) ; D, panier isotherme du Nautile
G, le navire français N/O L’Atalante ; H, le navire américain R/V Atlantis
45

Chapitre 2
Ces différentes campagnes océanographiques ont ainsi permis de récolter des
populations d’espèces différentes sur des champs hydrothermaux distribués de 21°N à
21°33’S (Fig. 2.2), permettant ainsi d’effectuer les analyses de phylogéographie comparée
réalisées lors de ma thèse.
21°N
120°W 110° 100° 90° 80°W
13°N
20°N
9°50’N
7°25’S
14°S
17°25’S
17°34’S
18°25’S
18°33’S
21°25’S
21°33’S
1000 km
10°
0
10°
20°
30°S
Fig. 2.2 Champs hydrothermaux échantillonnés le long de la dorsale EPR
2. Banques d’ADN complémentaires
Les gènes nucléaires utilisés dans le chapitre 3 sont issus de deux banques d’ADNc
réalisées par le Dr Arnaud Tanguy sur plusieurs individus de B. azoricus récoltés sur le site
Menez Gwen (dorsale Médio-Atlantique, 37°50N, Tanguy et al 2008) et de L. elevatus du
site Oasis (EPR, 17°25’S), respectivement. Les 2 banques effectuées sur individus entiers
ont été obtenues par utilisation du kit de synthèse d’ADNc SMART TM et du kit de clonage
SMART TM (Clontech) après purification des messagers sur résine polyAT tract®mRNA.
Les gènes nucléaires obtenus sur A. pompejana proviennent de banques ADNc tissulaires
(branchie, tissu ventral et pygidium) réalisées par le Génoscope d’Evry dans le cadre du
Consortium ‘Alvinella’ à partir de 2 types de méthodes de clonage : (1) ‘Oligocapping’ des
ARNm par phosphatase alcaline, récupération des messagers sur résine OligodT après
élimination de la coiffe 5’ et insertion dans un vecteur pME18S-FL3 après RT-PCR et, (2)
46

Chapitre 2
la méthode ‘CloneMiner’ ou les ADNc double brins sont produits par ajout de séquences
AttB à chaque bout et clonés dans un vecteur Gateway par recombinaison homologue. Ces
banques représentent un total de 100 200 séquences assemblées et annotées (Gagnière et
al soumis).
L’extraction des ARN totaux a été effectuée à partir d’un protocole utilisant le Tri-
Reagent. Cinquante à cent milligrammes de tissu congelé sont placés dans 1 mL de
solution Tri-Reagent et broyés à l’aide d’un broyeur à billes. A l’homogénat sont ajoutés
0,2 mL de chloroforme pour provoquer une émulsion afin de séparer la fraction ARN des
fractions ADN/protéines/lipides. Après centrifugation (12 000 g, 15 min), les ARN totaux
du surnageant sont précipités par ajout de 0,5 mL d’isopropanol. Les ARN totaux sont
ensuite culottés par centrifugation (12 000 g, 10 min), lavés dans de l’alcool 70°, séchés et
repris dans 50 microlitres d’eau-DEPC (incubation 15 min à 55°C).
Dans le cadre des banques Bathymodiolus et Lepetodrilus, les ARN messagers
(ARNm) sont purifiés sur une résine oligodT à l’aide du kit Promega PolyATtract mRNA
Isolation Systems. Les ARN totaux sont hybridés à l’aide d’une sonde Oligo(dT) biotinylé
(50 nmol/mL) en présence d’une solution SSC 0,5X. Les ARNm hybridés sont ensuite
capturés sur des sphères magnétiques de streptavidine couplées à un anticorps de la biotine
et isolés du « pool » des ARNs par aimantation. Les ARNm-sphères sont ensuite lavés
plusieurs fois dans des solutions 0,5X SSC et 0,1X SSC et resuspendus dans 1 mL d’eau-
DEPC. Les ADNc sont synthétisés par rétrotranscription (8 µl de tampon contenant 1,2 µl
de MgCl2 25mM, 4 µl de tampon de transcriptase reverse, 3 µl de dNTP 2mM, 100 U de
transcriptase reverse, une heure à 37°C) puis amplifiés, clonés et séquencés.
3. Acquisition des séquences
3.1. Séquences du gène mitochondrial Cytochrome Oxydase I
L’ADN mitochondrial étant généralement à hérédité uniquement maternelle (mais
voir Skibinsky et al 1994 pour les exceptions), il est théoriquement présent en une seule
copie (pas de recombinaison) au sein d’un individu. C’est pourquoi le séquençage du gène
mtCOI a été effectué en direct, c’est-à-dire sans clonage préalable, à la plateforme
Génomer de la Station Biologique de Roscoff. Le fragment du gène COI est amplifié par
PCR à l’aide d’amorces universelles (Folmer et al 1994) ou redéfinies à partir de ces
amorces, puis purifié sur membrane Millipore et séquencé sur ABI.
47

Chapitre 2
3.2. Séquences des gènes nucléaires : Marquage-Recapture (MR) de
séquences
Les locus génomiques étudiés sont diploïdes. Les individus séquencés peuvent donc
être homozygotes ou hétérozygotes au locus d’intérêt. Afin de ne pas brouiller le signal de
la séquence (présence d’indels ou nombreuses substitutions entre les allèles), il est
nécessaire, après amplification par PCR et purification du produit, d’isoler les différents
allèles par clonage. Le clonage étant un protocole relativement long et coûteux, il n’est pas
possible d’effectuer des clonages individuels pour chaque locus. Nous avons donc choisi
une solution alternative : combiner les produits d’amplification des individus appartenant à
une même espèce, voire une même population, après les avoir préalablement marqués
individuellement, et cloner l’ensemble. Pour éviter de biaiser la diversité allélique par
clonage, les allèles sont donc « taggés » selon leur appartenance à un individu (Fig. 2.3)
technique de marquage / re-capture de séquences : Bierne et al 2007, article présenté en
annexe 1). Le marquage de la séquence consiste à ajouter quelques nucléotides permettant
une identification postérieure à l’extrémité 5’ des amorces utilisées pour l’amplification
des individus. Ces nucléotides forment ainsi un « tag » qui, bien que ne s’hybridant pas
avec le fragment d’ADN recherché, est amplifié par la Taq polymérase lors de la PCR.
Ainsi, les allèles d’un individu amplifié sont identifiés par une combinaison de « tags »,
lesquels diffèrent d’un individu à l’autre. Ces « tags » sont ensuite retrouvés sur les
séquences clonées de part et d’autre de l’insert, ce qui permet, a posteriori, d’attribuer les
séquences aux individus (re-capture).
48

Chapitre 2
Brin d’ADN
ACAG
ACAG
Amplification
par PCR
ACAG
AG
ACAG
Chaque individu
est amplifié avec
un couple de tags
différents
Produits de PCR
mixés dans un
même tube
1 clonage
unique
Séquençage
avec un couple
d’amorces
plasmidiques
Séquences
réattribuées aux
individus grâce à
leurs tags
1 couleur =1 puit = 1 individu
= 1 couple de tags
Séquence insérée dans
un plasmide
Fig 2.3 Schéma du fonctionnement de la méthode de marquage-recapture de
séquences utilisée pour le séquençage des gènes nucléaires.
49

Chapitre 2
Des mutations artéfactuelles sur les « tags » ou de la recombinaison in vitro pouvant
engendrer une mauvaise réassignation des séquences, des précautions particulières ont été
prises afin de :
(1) Détecter les mutations artéfactuelles sur les tags. Le choix des tags a été réalisé
afin que chaque tag (de 4 nucléotides) diffère d’au moins 2 substitutions permettant ainsi
de repérer une éventuelle mutation artéfactuelle sur l’un des tags.
(2) Détecter les recombinaisons in vitro. Chaque individu a été amplifié avec un
couple d’amorces présentant des « tag » différents (individu 1 : F1R1, individu 2 : F2R2,
Fig. 2.3). En conséquence, une séquence recapturée présentant des combinaisons de tags
non planifiées (F1R2 par exemple) est considérée comme recombinée in vitro.
Pour chaque espèce et chaque gène, nous avons choisi de séquencer 16 individus par
champ hydrothermal en effectuant 2 clonages par marquage recapture des séquences issues
de 8 individus chacun, permettant ainsi d’augmenter le nombre de séquences recapturées
(en comparaison à 1 seul clonage de 16 individus). Trente deux clones par clonage ont
ensuite été séquencés au génoscope d’Evry.
4. Traitement des séquences
4.1. Alignement et correction des séquences liées aux erreurs de lecture
du séquenceur
Une fois le séquençage effectué par les plateformes de Genomer et du Génoscope,
les régions plasmidiques (pour les gènes nucléaires) sont éliminées manuellement. Pour
chaque gène, les séquences sens (forward) et antisens (reverse) sont alignées via ClustalW
(Thompson et al 1994) sous Bioedit version 6.0.6 (Hall 1999) et l’alignement est vérifié
visuellement. Les chromatogrammes de chaque séquence sont également alignés entre eux
via la version de démonstration de CodonCode aligner 2.0.6
(http://www.codoncode.com/aligner/). L’alignement de ces chromatogrammes permet de
détecter une zone de recouvrement commune à l’ensemble des séquences pour laquelle les
50

Chapitre 2
chromatogrammes concordent parfaitement entre chaque paire de séquences sens et
antisens. La correspondance entre les bases inscrites par le séquenceur et les pics des
chromatogrammes est alors vérifiée jusqu’à cette zone de recouvrement incluse (sens : de
la première base jusqu’à la fin de la zone de recouvrement, antisens : début de la zone de
recouvrement jusqu’à la fin de la séquence). Dr Matthieu Bruneaux et moi-même avons
développé un script sous C permettant de « rabouter » les séquences sens et antisens de
manière automatique en fournissant un fichier de séquences sens, un fichier antisens
(format fasta) et la position du site de coupure (identique pour toutes les séquences) défini
par l’utilisateur dans la zone de recouvrement (cf annexe 2). Ce programme n’effectue pas
de consensus de séquences, ne modifiant pas les séquences fournies. Plusieurs centaines de
séquences d’un même gène peuvent ainsi être raboutées en quelques secondes. Ce
programme a donc été utilisé indépendamment pour chaque gène et chaque espèce. Pour
les séquences nucléaires, effectuées selon la méthode de marquage-recapture de séquences,
nous avons ensuite réattribué chaque séquence à son individu amplifié par l’observation du
couple de « tags » (Bierne et al 2007). Pour chaque gène, les bases correspondant aux
amorces sont ensuite supprimées pour les analyses afin de ne pas biaiser les estimations de
polymorphisme et de divergence (zone conservée du fait de l’amorce).
4.2. Recombinaison in vitro détectée via la méthode MR
En utilisant un couple de tags différents pour chaque individu, nous avons pu mettre
en évidence 22 séquences présentant une combinaison anormale de tags, indiquant que ces
séquences sont issues d’un événement de recombinaison in vitro entre individus différents
d’un même clonage. Le pourcentage de séquences détectées recombinées in vitro entre
individus est compris entre 0 et 1,82%, cette dernière valeur ayant été obtenue pour la
Globine X d’A. pompejana (Tableau 2.1).
51

Chapitre 2
Tableau 2.1 Pourcentage de séquences détectées recombinées in vitro entre différents
individus.
SAHH, S-Adénosyl Homocystéine Hydrolase ; PGM, Phosphoglucomutase ; VDG3,
Veliger Digestive Gland 3.
Espèce
A. pompejana
B. thermophilus
L. elevatus
Gène
Taille moyenne
du gène (pb)
Pourcentage de séquences détectées
recombinées in vitro entre individus
SAHH 579 0,18
Globine X 668 1,82
PGM 1004 0,58
SAHH 1005 0
Lysozyme 1302 0,29
Sulfotransférase 275 0
Lysozyme 782 0,33
Textilinine 1227 1,64
VDG3 682 0,18
Aucune corrélation n’a pu être détectée entre l’espèce ou la taille du gène séquencé
et le pourcentage de recombinaison in vitro détectée. Ces séquences recombinées ont été
supprimées des différents jeux de donnée.
4.3. Correction du jeu de données : suppression des singletons
artéfactuels engendrant un multiallélisme
Des erreurs d’amplification peuvent engendrer la présence de singletons
artéfactuels dans les séquences (Cronn et al 2002) soit par erreur de réplication de la Taq
polymérase ou lors de recombinaison entre allèles si l’ADN est de mauvaise qualité. À cela
s’ajoute les mutations somatiques accumulées au cours de la croissance de l’organisme et
non-transmises dans les lignées germinales. Si ces erreurs d’amplification ne sont
généralement pas visibles lors d’un séquençage direct de produit de PCR (nombre de
copies important, masquant ces erreurs), le passage par une étape de clonage, en isolant les
copies, les met en évidence. Ainsi, pour un gène de 1000 pb, les séquences diffèrent
généralement entre elles d’environ un à deux singletons artéfactuels. C’est pourquoi nous
avons choisi d’appliquer une méthode de correction systématique des séquences
nucléaires. Dans un premier temps, trois fichiers de « qualité » différente sont réalisés :
52

Chapitre 2
(1) jeu qualité 1 (Fig. 2.4). Contient l’ensemble des séquences recapturées, corrigées et
réattribuées à un individu.
(2) jeu qualité 2 (Fig. 2.4). Pour chaque individu, une séquence consensus des
séquences peu différentes entre elles (quelques singletons) est réalisée. Il est noté entre
parenthèses le nombre de séquences ayant permis de réaliser ce consensus de la manière
suivante : premier chiffre correspondant au nombre de séquences strictement identiques à
la séquence consensus, puis les autres chiffres correspondent aux autres groupes de
séquences différentes. Par exemple, cons (3 1 2) signifie : 3 séquences recapturées
strictement identiques à la séquence consensus, puis 1 séquence différente recapturée une
seule fois, puis 1 autre séquence différente des précédentes recapturée 2 fois. De même,
cons (0 1 1 1) signifie qu’aucune séquence ne correspond strictement à la séquence
consensus, le consensus a été fait sur la base de 3 séquences proches recapturées une seule
fois chacune. Théoriquement (i.e. en absence de co-amplification de gènes), les fichiers de
qualité 2 comptent donc ainsi au maximum deux séquences par individu recapturé
correspondant aux 2 allèles de cet individu et sont utilisés lors de la réalisation des arbres
et réseaux phylogénétiques (permettant de visualiser ainsi de potentiels individus
hybrides).
(3) jeu qualité 3 (Fig. 2.4). Une seule séquence par individu est sélectionnée : la
séquence consensus issue du plus grand nombre de recaptures. Ce jeu est utilisé pour
effectuer les tests de neutralité pour éviter de biaiser la diversité nucléotidique observée, le
nombre d’allèles recapturés n’étant pas systématiquement égal à 2 pour tous les individus.
53

Chapitre 2
Qualité 1 Qualité 2
0,0005
Qualité 3
0,0005
Qualité 4
0,001
0,0005
Fig. 2.4 Arbres phylogénétiques réalisés à partir de six individus sur le gène
Lysozyme de B. thermophilus illustrant les différents jeux de qualité obtenus
Chaque couleur représente un individu différent.
5. Traitement de la recombinaison
5.1. Biais liés à la recombinaison dans les analyses de coalescence
Outre les recombinants in vitro (artéfactuels), la recombinaison peut avoir une réalité
biologique. Cependant, la plupart des analyses basées sur la théorie de la coalescence pose
l’hypothèse de l’absence de recombinaison. En effet, la recombinaison augmente la
diversité génétique observée et modifie la forme du coalescent en établissant des nœuds
intermédiaires entre 2 allèles pour lesquels une divergence existe (rajeunissement de la
divergence : Shriner et al 2003). Les sites recombinés présentent une diversité plus élevée
que sous l’attendu neutre sans recombinaison, pouvant ainsi biaiser les analyses utilisant
54

Chapitre 2
des indices de diversité génétique. Avant d’effectuer les analyses de coalescence, il est
donc nécessaire de détecter et de supprimer du jeu de données les séquences
potentiellement recombinantes.
5.2. Détection et suppression des séquences recombinantes
Afin de supprimer les séquences présentant de la recombinaison, nous avons tout
d’abord utilisé le « four-gamete test » de Hudson & Kaplan (1985) via le logiciel DNAsp
4.10.3 (Rozas et al 2003) afin de détecter le nombre minimum de points de recombinaison
(R m ) au sein du jeu de séquences et les sites nucléotidiques incriminés dans ces
évènements de recombinaison. Une mutation reverse (homoplasique) peut également être
comptée comme un événement de recombinaison par ce test (un point unique de mutation
pouvant être compté comme événement de recombinaison s’il n’est pas en équilibre de
liaison avec les sites adjacents comparés, observation personnelle). Ces sites de
recombinaison sont comparés deux à deux pour l’ensemble des séquences et les séquences
détectées recombinantes (ou présentant des sites homoplasiques) sont éliminées du jeu de
données (appelé de qualité 4, Fig. 2.4) jusqu’à atteindre R m = 0. Ce jeu de qualité 4 est
alors utilisé pour les analyses de polymorphisme et de divergence posant l’hypothèse de
l’absence de recombinaison.
6. Détection de gènes co-amplifiés (potentiellement paralogues)
6.1. Bathymodiolus thermophilus
6.1.1. Lysozyme
Faure (2008) a mis en évidence la présence de deux gènes paralogues sur le
lysozyme, ces gènes étant co-amplifiés avec les amorces utilisées (divergence de 4% entre
ces paralogues). Cependant, cet auteur n’ayant recapturé qu’une séquence du deuxième
paralogue sur l’EPR, nous n’avons pas redéfini d’amorces spécifiques du premier
paralogue. Hormis quatre séquences supplémentaires correspondant au deuxième
paralogue, toutes les séquences obtenues sur le Lysozyme correspondaient au paralogue 1.
Les analyses ont donc été effectuées uniquement sur le paralogue 1 dans le chapitre 3.
55

Chapitre 2
6.1.2. Sulfotransférase
Certains individus recapturés sur le gène de la Sulfotransférase présentaient trois à
quatre allèles distincts (multiples substitutions) par individu, laissant penser que nous
avions co-amplifié au moins deux gènes avec le couple d’amorces utilisé. Deux clades
divergents de 2,6% ont été identifiés (Fig. 2.5). La répartition des séquences entre
individus présentant plus de deux allèles distincts nous a permis de poser l’hypothèse
d’une paralogie associée à ces deux clades. En effet, certains individus comptaient deux
allèles dans le clade 1 et deux autres dans le clade 2, mais aucun individu ne possédait plus
de deux allèles recapturés au sein d’un même clade. De plus, le clade 1 présentait une
divergence génétique entre les individus échantillonnés au Nord et au Sud de la barrière au
flux de gènes préalablement détectée sur d’autres gènes (Fig. 2.5). De même, les séquences
du clade 2 se regroupent préférentiellement selon leur géographie (en termes de
fréquences). Les clades 1 et 2 ont donc été considérés comme deux gènes distincts,
respectivement nommés Sulfotransférase 1 et 2, pour les analyses sur B. thermophilus du
chapitre 3.
56

Chapitre 2
Clade 1 : Sulfotransférase 1
Clade 2 : Sulfotransférase 2
0,005
Fig. 2.5 Arbre phylogénétique permettant l’identification de deux gènes co-amplifiés
sur la Sulfotransférase.
En bleu, individus échantillonnés à 9°50’N et 7°25’S.
En rouge, individus échantillonnés de 14°S à 21°33’S.
6.2. Lepetodrilus elevatus
Matabos et al (2008b) a décrit l’existence de deux espèces cryptiques de L. elevatus
divergentes de 6,5% sur le gène mtCOI. Cette étude portait sur trois sites : 13°N, 9°50’N et
17°25’S. Alors que les deux espèces sont présentes en sympatrie à 9°50’N, seule une
espèce était échantillonnée à 13°N et la seconde à 17°25’S. Lors de mon stage de Master 2
(Plouviez 2006), nous avons séquencé trois gènes nucléaires pour des individus présents à
13°N et 17°25’S et donc diagnostiques des deux espèces cryptiques. Nous fûmes alors
confrontés à un problème de multiallélisme au niveau de ces gènes nucléaires, laissant
penser à la co-amplification de plusieurs gènes. Durant la thèse, nous avons donc tenté de
57

Chapitre 2
résoudre ces problèmes de multiallélisme afin d’utiliser ces gènes dans le cadre d’une
étude phylogéographique.
6.2.1. Lysozyme
Dans un premier temps, une quinzaine de L. elevatus ont été clonés et séquencés
individuellement (pas d’utilisation de la méthode de MR). Pour chaque individu, nous
avons séquencé une dizaine de clones afin de détecter les gènes co-amplifiés. Quatre
clades ont ainsi pu être mis en évidence (Fig. 2.6).
58
Fig. 2.6 Arbre phylogénétique de type qualité 1 réalisé sur les séquences des
individus clonés individuellement sur le Lysozyme.
En bleu et rouge, espèces cryptiques de type 13°N et 17°25’S (Matabos et al 2008),
respectivement, sur la base du mtCOI sur la base du mtCOI (Matabos et al 2008). Les
allèles présents sur la divergence constituent des recombinants.

Chapitre 2
Les séquences des clades 1 et 2 présentent le même polymorphisme d’indels
(insertions/délétions) et le même type exonique. Elles diffèrent essentiellement par des
substitutions situées dans l’intron. Le clade 3 diffère notamment de ces deux clades par un
nombre de 13 substitutions non-synonymes fixées sur l’exon 2. Le clade 4 possède le
même type d’exon que les clades 1 et 2. Il diffère des autres clades par une délétion
d’environ 560 pb au début de l’intron et une insertion de ∼260 pb à la fin de celui-ci, ces
indels étant également en déséquilibre de liaison à des substitutions introniques multiples.
Certains individus comptaient des séquences à la fois dans les clades 1, 3 et 4, indiquant la
présence d’au moins deux gènes co-amplifiés. Le clade 2 étant essentiellement constitué de
séquences de l’espèce type 13°N, nous avons considéré que la divergence observée entre
les clades 1 et 2 (Fig. 2.6) était due à la divergence entre espèces cryptiques et non entre
gènes différents. Nous avons alors défini trois couples d’amorces discriminant les clades 1-
2, 3 et 4 et testé ces amorces sur une cinquantaine d’individus par espèce. Pour les deux
espèces, nous avons ainsi mis en évidence des individus amplifiant pour les trois couples
d’amorces, confirmant l’existence d’au moins deux gènes différents. Néanmoins,
contrairement aux amorces définies pour les clades 1-2, les clades 3 et 4 n’amplifiaient pas
sur l’ensemble des individus, suggérant un mauvais échantillonnage de ces clades 3 et 4.
Par conséquent, nous avons considéré que les clades 1 et 2 constituaient un gène unique et
séquencé ce gène par la méthode de MR pour l’étude phylogéographique. Les séquences
obtenues à l’issue de ce séquençage se sont révélées compatibles avec un gène unique
(deux allèles maximum par individus échantillonnés).
6.2.2. Veliger Digestive Gland 3 (VDG3)
Le gène VDG3 présentait également une co-amplification d’allèles appartenant à
plusieurs locus (allèles multiples) avec la présence d’au moins deux clades divergents sans
rapport avec la présence des 2 espèces cryptiques. Nous avons donc redéfini une amorce
sens afin de n’amplifier qu’un seul clade (l’amorce antisens restant inchangée). Nous
avons ensuite cloné individuellement les individus de chaque espèce, respectivement de
type 13°N et 17°25’S au locus mtCOI (Matabos et al 2008b) et séquencé 6-8 clones par
individu. Les séquences obtenues comptaient un maximum de deux allèles par individu,
suggérant que les allèles observées proviennent d’un gène unique. Là encore les allèles se
59

Chapitre 2
regroupent selon les espèces cryptiques (Fig. 2.7). Nous avons donc utilisé ce couple
d’amorces pour le séquençage par la méthode MR.
0,005
Fig. 2.7 Arbre phylogénétique de type qualité 1 réalisé sur les séquences des
individus clonés individuellement sur le VDG3 avec les amorces redéfinies.
Chaque couleur représente un même individu. En bleu, séquences de deux individus
correspondant à l’espèce cryptique de type 13°N sur le mtCOI (Matabos et al 2008). En
jaune, rouge et vert, les séquences d’individus de l’autre espèce cryptique. Chaque
individu présente au maximum deux allèles différents (séquences comptant un
polymorphisme de singletons, e.g. individu en jaune, mais correspondant à un même allèle
consensus pour le jeu de qualité 2)
Les séquences obtenues par MR se distribuaient en trois clades majoritaires, avec
des séquences intermédiaires entre ces clades (Fig. 2.8.A). Si la plupart des individus
séquencés présentaient au maximum deux allèles par individu, dix individus comptaient
plusieurs allèles bien différents. Nous avons donc examiné, pour chacun de ces individus,
s’il existait des allèles recombinés. Pour ces dix individus, nous avons ainsi pu mettre en
évidence la présence d’un ou deux allèles appartenant à un des 2 clades préalablement
identifiés ainsi que des allèles recombinés intra-clade, des allèles recombinés entre les 2
clades et, de façon encore plus inattendue, des allèles recombinés entre le gène d’intérêt et
le gène que nous avions choisi d’exclure par le biais de l’utilisation de la nouvelle amorce
sens. Les ADN génomiques de nos individus étant assez dégradés, il est possible que la
60

Chapitre 2
Taq polymérase ait associé des morceaux de séquences sens et antisens des différents
clades voire des différents paralogues (l’amorce antisens n’ayant pas été redéfinie). Pour
ces dix individus, après suppression des séquences recombinées, nous avons obtenu un
maximum de deux allèles différents par individu et les clades de l’arbre phylogénétique se
sont révélés mieux définis (Fig. 2.8.B). Nous avons donc considéré que ce gène constituait
un gène unique et avons donc utilisé ces séquences pour l’analyse phylogéographique de L.
elevatus dans le chapitre 4.
A
B
Fig. 2.8 Arbre phylogénétique de type qualité 2 réalisé sur les séquences issues de la
méthode MR sur le VDG3 comprenant les séquences recombinantes des dix
individus présentant plus de deux séquences bien différentes (A), sans les séquences
recombinantes de ces dix individus (B).
61

Chapitre 2
6.2.3. Textilinine
Les séquences du gène Textilinine obtenues par la méthode MR se répartissent en
quatre clades principaux (Fig. 2.9). Certains individus comptent plus de dix séquences , ce
qui a permis la mise en évidence d’allèles multiples (plus de deux allèles par individu),
suggérant, là encore, la co-amplification de plusieurs gènes. Un individu recapturé douze
fois possède un allèle dans le clade 1, deux dans le clade 2, et un dans le clade 3, indiquant
que le clade 2 constituerait un gène différent des deux autres clades. De même, un autre
individu recapturé treize fois présente un allèle dans le clade 1, un dans le clade 3 et deux
allèles dans le clade 4, suggérant que le clade 4 serait également différent des clades 1 et 2.
Nous n’avons pas recapturé d’individus rendant incompatible l’appartenance des clades 1
et 3 à un même gène. De plus, l’ensemble des séquences recapturées provenant de l’espèce
cryptique mitochondriale de type 13°N (Matabos et al 2008b) est distribué dans le clade 1,
indiquant que la divergence entre les clades 1 et 3 pourraient correspondre à la divergence
attendue entre 2 espèces différentes. Les clades 2 et 4 pourraient constituer un deuxième
gène co-amplifié, mais aucune séquence de l’espèce cryptique de type 13°N n’a été
recapturée dans ces clades (amorces ne permettant pas d’amplifier cette espèce, ou
apparition d’une duplication secondaire dans la lignée mitochondriale sud de L. elevatus).
Par conséquent, bien que l’approche reste critiquable, nous avons considéré que les clades
1 et 3 pouvaient constituer un gène unique utilisable pour une approche de
phylogéographie sur L. elevatus.
62

Chapitre 2
Fig. 2.9 Réseau réalisé en Median Joining des séquences de Textilinine sur le jeu de
données de qualité 2 pour lequel des individus présentent des allèles multiples.
Pour faciliter la représentation, le diamètre des cercles n’est pas proportionnel au
nombre de séquences recapturées. La longueur des branches est proportionnelle à la
divergence.
7. Recherche d’une divergence partagée entre plusieurs espèces :
MsBayes
Lorsque plusieurs espèces présentent deux clades divergents de part et d’autre d’une
potentielle barrière aux flux de gène, il s’avère intéressant de tester si la divergence
observée entre ces paires de clades est due à un événement d’isolement commun à toutes
les espèces ou à plusieurs évènements différents et ainsi de dater ces évènements. Une
nouvelle approche dite ‘Hierarchical Approximate Bayesian Computation’ (ABC) permet
d’estimer, via le logiciel MsBayes (Hickerson et al 2006b), ce nombre d’évènements de
63

Chapitre 2
divergence (hypervariable Ψ) et de les dater (temps de divergence moyen E(τ) et Ω =
E(τ)/Var(τ)). Cette approche est basée sur des simulations de statistiques résumées (e.g.
diversité génétique, θ W ) à partir d’un modèle d’isolement en 2 populations sœurs évoluant
sous l’hypothèse d’une variation indépendante de leur taille efficace (Fig. 2.10).
Présent
Population
ancestrale
Passé
Fig. 2.10 Représentation schématique d’un modèle où une population ancestrale se
sépare en deux populations filles 1 et 2 au temps τ. Tirée de Hickerson et al (2006a).
N A , N 1 et N 2 , tailles des populations ancestrales, fille 1 actuelle et fille 2 actuelle,
respectivement.
N bott1 et N bott2 , tailles des populations 1 et 2 après la séparation des populations pour les
temps τ bott1 , τ bott2
τ, temps d’isolement des populations
64

Chapitre 2
Cette approche se divise en trois étapes :
(1) Un fichier contenant les séquences observées des deux clades divergents est fourni
pour chaque espèce. À partir de ces jeux de séquences, le logiciel MsBayes estime
une série de statistiques résumées pour chaque clade/lignée divergente (Tableau
2.2).
Tableau 2.2 Statistiques résumées estimés à partir des séquences observées ou
simulées. Tiré de Hickerson et al (2006a).
Notation Statistique résumée
Référence
π Moyenne des différences par paires de séquences Tajima 1983
π b Moyenne des différences par paires de séquences interclades Takahata & Nei
1985
π w Moyenne des différences par paires de séquences intraclades Takahata & Nei
1985
π net Moyenne nette des différences par paires de séquences entre
clades (=π w - π b )
Takahata & Nei
1985
S Nombre de sites polymorphes Watterson 1975
θ w Nombre de sites polymorphes normalisés par la taille de Watterson 1975
l’échantillonnage (thêta de Watterson)
D D de Tajima Tajima 1989
(2) 100 000 hyper-paramètres (inter-espèces : Ψ, E(τ) et Ω) et sous-paramètres (intraespèce
: N A , N 1 , N 2 , N bott1 , N bott2 , τ bott1 , τ bott2 , τ, calculés pour chaque espèce selon le
modèle présenté Fig. 2.10) sont aléatoirement tirés du modèle d’isolement avec goulôts
d’étranglements dans les lignées produites. Chacune de ces séries de paramètres permet
de simuler un jeu différent de données de séquences (100 000 jeux de séquences) pour
chaque espèce (paires de clades). Les statistiques résumées sont ensuite calculées pour
chaque jeu de séquences simulé
(3) Les statistiques résumées calculées à partir des jeux de séquences simulés sont
ensuite comparées à celles des séquences observées. Les distributions des probabilités
postérieures des hyper-paramètres (Ψ, E(τ) et Ω) et sous-paramètres (N A , N 1 , N 2 , N bott1 ,
N bott2 , τ bott1 , τ bott2 , τ) associés proviennent des 1000 statistiques résumées qui
s’approximent le mieux aux statistiques résumées observées.
65

Chapitre 2
8. Migration à travers une barrière aux flux de gènes : Migrate-n
!
!
La migration entre populations peut être analysée via des logiciels tels que Migrate-n
(Beerli & Felsenstein 2001), et notamment permettre l’analyse de cette migration à travers
une barrière géographique. Migrate-n utilise une approche basée sur la théorie de la
coalescence afin d’estimer les valeurs les plus vraisemblables des taux de migration entre
populations et celles de leur taille efficace (Beerli & Felsenstein 1999, 2001). La matrice
$ " 1
M 2,1
M 3,1
... M n,1
'
&
)
M 1,2
" 2
M 3,2
... M n,2
P = &
) contient l’ensemble de ces paramètres estimés
& ... ... ... ... ... )
&
)
% M 1,n
M 2,n
... M n#1,n
" n (
(Fig. 2.11), avec M i,j correspondant au taux de migration de la population i vers j divisé par
le taux de mutations par génération (µ), et Θ i correspondant au paramètre démographique
de la population i (= 4 Ne i µ avec Ne i la taille efficace de la population i). Les valeurs de
vraisemblance de cette matrice (L(P)) sont calculées selon la relation
L(P) = " prob(G /P).prob(D/G) avec prob(G/P), la probabilité d’observer la généalogie
G
pour les paramètres P choisis et prob(D/G) la probabilité d’obtenir le jeu de données
observé pour une généalogie simulée.
M 1,2
Θ 1 Θ 2
M 2,1
M 3,1
M 1,3
M 2,3
M 3,2
Θ 3
Fig. 2.11 Représentation graphique du modèle utilisée par Migrate-n.
Exemple de trois populations (cercles), les valeurs de M i,j pouvant être nulles
66

Chapitre 2
Une approche Metropolis-Hastings de chaînes de Markov Chain selon une procédure
Monte Carlo (MCMC, Metropolis et al 1953) est utilisée afin d’échantillonner les valeurs
de P les plus probables dans l’espace des paramètres possibles (i.e. espace des coalescents
possibles). Cette approche MCMC consiste à estimer la vraisemblance de paramètres L(P)
aléatoirement choisis dans cet espace. Les paramètres de cette matrice de départ sont
ensuite légèrement modifiés pour donner une nouvelle matrice de paramètres et sa valeur
de vraisemblance associée est comparée à la précédente :
(1) Si L(P) nouvelle matrice > L(P) matrice de départ alors le processus d’exploration des
paramètres se poursuit en estimant une autre matrice.
(2) Lorsque L(P) matrice n < L(P) matrice n-1 , alors le processus de recherche des
paramètres P est stoppé et les paramètres de la matrice n-1 sont considérés
comme les plus vraisemblables.
Afin de mieux explorer l’univers des possibles, ce processus est effectué sur plusieurs
matrices de départ, permettant ainsi de s’assurer que le choix de la matrice la plus
vraisemblable converge entre les simulations et ainsi de maximiser la probabilité que cette
matrice reflète les patrons de migration réels entre populations.
En estimant les valeurs les plus probables des taux de migration souvent
assymétriques entre populations, le logiciel Migrate-n peut ainsi permettre de mieux
appréhender le sens de la migration entre populations et notamment au travers une barrière
aux flux de gènes. Néanmoins, ce programme fait l’hypothèse de l’équilibre
mutation/dérive (pas de changements démographiques au cours du temps) et d’absence de
recombinaison intralocus (et interlocus lorsque plusieurs gènes sont utilisés dans une
même simulation : série de génotypes pour un même individu).
Le logiciel Migrate-n permet donc de comparer les compositions génétiques des
régions géographiques et peut permettre de définir des taux de migration entre ces régions.
Cette approche ne fait pas d’hypothèse sur la spéciation en cours. Ainsi, lorsque deux
entités génétiques différentes sont présentes au sein d’une même population, les individus
migrants mais aussi les individus potentiellement introgressés entre ces entités seront
comptabilisés dans le calcul du taux de migration.
67

Chapitre 2
9. Modèle d’ « Isolement avec Migration »
La séparation d’une population ancestrale en deux populations filles divergentes de
part et d’autre d’une barrière physique ou génétique est un processus long qui peut se
réaliser en absence totale ou en présence d’un flux de gènes limité. Le modèle d’Isolement
avec Migration (logiciel IM et IMa, Nielsen & Wakeley 2001, Hey & Nielsen 2004, 2007)
permet de distinguer l’effet relatif de la divergence et des flux de gènes dans le processus
ayant conduit à l’isolement génétique de lignées. Une approche MCMC est utilisée afin
d’estimer les probabilités postérieures des différents paramètres du modèle (Fig. 2.12)
soient:
(1) θ A , θ 1 , et θ 2 , les paramètres démographiques des populations ancestrale,
filles 1 et 2, respectivement (avec θ i = 4N i u pour un gène nucléaire et 2 N i
u pour un gène mitochondrial, N i correspondant à la taille de la population i
considérée)
(2) La proportion d’individus de la population 1 qui est remplacée à chaque
génération par des migrants de la population 2 (m1) et vice-versa (m2) et
(3) Le temps de début de séparation des lignées (t).
Présent
Population 1 Population 2
Passé
Population
ancestrale
Fig. 2.12 Représentation graphique du modèle d’Isolement avec Migration.
Tirée de Nielsen & Wakeley (2001).
u, taux de mutation par génération.
68

Chapitre 2
Ce modèle d’Isolement avec Migration peut ainsi permettre d’émettre des
hypothèses pour expliquer les flux de gènes potentiellement détectés. Ainsi, la présence de
flux de gènes entre les lignées pourrait correspondre à un isolement progressif des lignées
en présence de migration pendant le processus d’isolement (spéciation
parapatrique/sympatrique) ou à un tri incomplet des allèles (phase de spéciation toujours
en cours). Au contraire, une absence de flux de gènes entre les lignées accrédite un
processus de type allopatrique dans lequel la barrière est totalement imperméable. Il existe
cependant un nombre de cas ou cette barrière cesse d’être imperméable et favorise la mise
en place d’une zone de contact secondaire entre les lignées préalablement isolées. Dans ce
cas, des flux de gènes récents sont en général observés et traduisent des phénomènes
d’hybridation entre lignées avec une possibilité d’introgression d’allèles à certains locus si
les croisements des hybrides avec les lignées parentales sont encore possibles (e.g. Faure et
al 2009).
La confrontation des résultats de Migrate-n et du modèle d’Isolement avec
Migration peut ainsi permettre d’évaluer la part de la migration liée à l’introgression
(détectée par IM/IMa) de celle indépendante de la spéciation (uniquement prise en compte
par Migrate-n).
10. Écart à la neutralité : sélection versus démographie
10.1. Approche multilocus visant à détecter un ou plusieurs locus sous
sélection positive : test de Hudson Kreitman Aguadé
Hudson, Kreitman et Aguadé (HKA, 1987) proposent un test statistique multilocus
de polymorphisme/divergence basé sur la comparaison de séquences d’ADN intra- et interspécifiques.
Un nombre L de locus sont échantillonnés respectivement chez deux espèces
proches. Soient S A i et S B i le nombre de sites nucléotidiques polymorphes respectivement
chez les espèces A et B au locus i. et Di le nombre de différences nucléotidiques entre
deux séquences tirées au hasard chez chacune de ces deux espèces au même locus i. Sous
l’hypothèse neutraliste, S A i , S B
i et D i ne sont soumis qu’à la dérive génétique. Si
l’ensemble des locus échantillonnés est neutre, alors la statistique
69

Chapitre 2
!
L
(S A
X 2 = i
" E^
(S A i
)) 2 L
(S
# B + i
" E^
(S B i
)) 2 L
(D
^ # + i
" E^
(D i
))
i=1 Var(S A ^ # 2
i
) i=1 Var(S B ^
suit une distribution de χ 2 à
i
) i=1 Var(D i
)
2L – 2 degrés de liberté. Au contraire, si cette statistique ne suit pas cette distribution, on
peut en déduire qu’au moins un locus évolue sous sélection. Or, un locus soumis à la
sélection darwinienne positive est supposé avoir un rapport polymorphisme sur divergence
plus faible qu’un locus neutre. Par conséquent, le test HKA peut permettre de déterminer
les locus assujettis à sélection darwinienne positive, sans pour autant donner la raison de
cette sélection. Néanmoins, ce test ne permet pas d’affirmer si le locus échantillonné le
moins soumis à sélection est neutre ou simplement sous des pressions de sélection plus
faible. De plus, ce test fait plusieurs hypothèses pouvant être invalides, en particulier, il
suppose l’absence de recombinaison intralocus et de liaison inter-locus mais surtout des
tailles efficaces stationnaires depuis la spéciation des deux espèces (Hudson et al 1987).
Or, cette dernière est rarement vérifiée (Nei & Kumar 2000).
10.2. Approche substitutions synonymes / non-synonymes en vu de la
détection de sélection positive versus négative : test de MacDonald-
Kreitman
Le test de McDonald-Kreitman (MK, 1991a) repose également sur la comparaison
intra- et inter-spécifique de séquences mais en comparant 2 classes de mutations : les
mutations non-synonymes assujetties à la sélection et les mutations synonymes supposées
neutres. Il s’agit d’un test utilisant une approche mono-locus. Il confronte le ratio de
polymorphisme p n / p s au ratio de divergence d n / d s (avec p n et p s le nombre de différences
respectivement non-synonymes et synonymes entre séquences d’une même espèce, d n et d s
le nombre de différences respectivement non synonymes et synonymes entre séquences
d’espèces différentes mais proches). Si le locus étudié a évolué de façon neutre chez les
espèces étudiées, alors ces rapports doivent être les mêmes: p n / p s = d n / d s . Si p n / p s < d n /
d s , alors des mutations non synonymes se sont fixées dans la divergence entre espèces sous
l’effet de la sélection darwinienne positive. Si p n / p s > d n / d s , des mutations non
synonymes légèrement délétères ségrègent dans les populations mais ne fixent pas. Un
simple test d’homogénéité permet de détecter l’écart à l’hypothèse de neutralité. Le test
MK (1991a) permet de tester si un locus particulier est soumis à sélection sans nécessité
l’accès à d’autres locus. De plus, ce test a pour avantage de pouvoir comparer plusieurs
70

Chapitre 2
espèces relativement proches et ne fait pas d’hypothèse sur la taille efficace des
populations. Cependant, Graur et Li (1991) et Whittam et Nei (1991) suggèrent qu’un
faible nombre de séquences ou d’espèces échantillonnées peut sous estimer le ratio d n / d s .
McDonald et Kreitman (1991b) rétorquent que cela n’affecterait pas la validité du test de
neutralité puisqu’un faible échantillonnage de séquences et d’espèces entraînerait une
sous-estimation égale des deux ratios. De plus, ce test conjecture un taux de mutations
synonymes stationnaire durant le processus d’évolution et l’absence de liaison génétique
entre sites nucléotidiques (effet autostop négligé).
10.3. Tests de polymorphisme visant à détecter un écart à la neutralité :
tests de Tajima et Fu & Li
Tajima (1989) propose un test statistique basé sur des données de polymorphisme
intra-population. La statistique D =
("H^ #" S
)
1/ 2
dépend de la différence entre deux
[ Var("H^ #" S
)] estimateurs du thêta de Watterson (1975) ou diversité nucléotidique : "H^ le nombre moyen
de différences entre les ! paires de séquences échantillonnées et θ S le nombre total de sites
polymorphes observés ; pondérée par l’estimation de la variance de cette différence. Si le
!
polymorphisme génétique s’explique par la seule dérive (polymorphisme neutre), alors ces
deux paramètres sont égaux et le D de Tajima est nul. Au contraire, un allèle en fréquence
rare entraînera une augmentation du nombre total de sites polymorphes mais aura un
impact minime sur le nombre moyen de différences entre paires de séquences (effet
sensible à la taille de l’échantillonnage). Un excès de variants rares engendrera ainsi un D
de Tajima négatif alors qu’il sera positif pour un excès de variants intermédiaires. L’excès
de variants rares indique généralement une sélection positive récente (un allèle avantageux
a récemment envahi la population et des variants neutres encore rares sont apparus par
mutation), un effet autostop (mutations neutres liées à l’avantage ou de la sélection
négative (des allèles faiblement délétères ségrégent en faible fréquence) et correspond à un
D négatif. A l’inverse, un excès de variants intermédiaires est généralement dûà de la
sélection balancée (qui maintient les allèles à des fréquences intermédiaires) en l’absence
de recombinaison et se traduira par un D positif. D suit approximativement une loi de
distribution bêta. Cependant, plusieurs conditions doivent être vérifiées : (1) les séquences
71

Chapitre 2
d’ADN doivent être échantillonnées au hasard dans la population, (2) il n’y a pas de
phénomène d’autostop et surtout, (3) la population a atteint l’équilibre mutation / dérive
depuis une longue période évolutive. En effet, ce test ne permet pas de faire la différence
entre la sélection darwinienne et l’existence de changements démographiques passés.
Ainsi, par exemple, un D de Tajima négatif peut être dû à la sélection mais également à un
goulôt d’étranglement de la population suivi d’une phase d’expansion. De plus, ce test
s’avère peu robuste pour un faible nombre de séquences échantillonnées. Par conséquent, il
faut rester prudent lors de l’interprétation des résultats. Fu et Li (1993) proposent une
amélioration du test de Tajima. en estimant la diversité nucléotidique uniquement à partir
des mutations récemment apparues (singletons présents sur une seule séquence). Ce
dernier test apparaît donc beaucoup plus sensible aux mutations artéfactuelles. La
comparaison de ces indices sur un gène pour plusieurs espèces et/ou plusieurs gènes d’une
même espèce partageant la même zone géographique, telle que l’EPR, peut néanmoins
favoriser l’hypothèse sélective ou démographique. En effet, un événement démographique
provoqué par une modification de l’habitat (e.g. épanchement de lave détruisant la faune)
doit théoriquement affecter l’ensemble des gènes d’une espèce et la majorité des espèces
(Hudson et al 1987, Galtier et al 2000). Au contraire, la sélection n’affectera qu’un faible
nombre de gènes et d’espèces. En conséquence, un D de Tajima négatif sur une même
région géographique pour l’ensemble des espèces et des gènes posera l’hypothèse forte
d’une expansion démographique (goulôt d’étranglement réduisant la diversité, suivi d’une
accumulation de nouvelles mutations : excès de variants rares). Cette hypothèse sera
d’autant plus forte que l’expansion supposée est simultanée pour l’ensemble de ces
espèces.
10.4. Dater une expansion démographique via le logiciel Fluctuate
Le logiciel Fluctuate (Kuhner et al 1998) permet de dater le début de l’expansion
démographique d’une population à partir de la structure généalogique d’un coalescent. En
effet, en absence de sélection, une population en expansion doit présenter un coalescent en
étoile, avec une séquence majoritaire ancestrale et de multiple séquences dérivées
faiblement divergentes de cette dernière. Le logiciel consiste à échantillonner un grand
nombre de généalogies neutres dans l’univers des possibles (par la méthode de Metropolis-
Hasting utilisant des chaînes de Markov sous procédure Monte Carlo, MCMC, Metropolis
72

Chapitre 2
et al 1953), à partir des données de séquences fournies, une valeur initiale du paramètre
populationnel θ (=2 Ne µ pour un gène mitochondrial et 4 Ne µ pour un gène nucléaire, où
Ne correspond à la taille efficace de la population et µ au taux de mutations) et du
paramètre de croissance exponentielle g. Une probabilité postérieure est ensuite attribuée à
chacune de ces généalogies (Griffiths & Tavare 1994a, 1994b), la meilleure d’entre elles
permettant de réévaluer conjointement les valeurs de θ et g.
Cette approche suppose l’absence de sélection sur le locus considéré, l’absence de
recombinaison intra-locus, que la population soit fermée (pas de migration) et une
expansion exponentielle de la population au cours du temps (t) à partir d’une population
ancestrale de taille efficace Ne a (Kuhner et al 1998). Elle fait également appel au taux de
mutation du locus considéré en faisant l’hypothèse que ce taux de mutation est constant au
cours du temps. La relation θ t = θ a e -gµt (où θ t et θ a correspondent à θ au temps t et à la
population ancestrale, respectivement, Kuhner et al 1998) permet ainsi de corréler la taille
de la population au temps et ainsi de déterminer le début de l’expansion démographique.
Cette approche peut également être réalisée pour dater le début d’un déclin démographique
(g est alors négatif).
10.5. Proposition d’un nouveau test statistique visant à détecter des locus
sous sélection diversifiante entre régions géographiques
Nous proposons un nouveau test multi-locus visant à détecter des locus sous
sélection diversifiante entre régions géographiques différentes. Ce test est basé sur la
différence entre les thêtas de Watterson Δθ w calculés dans des lignées présentes dans des
régions géographiques différentes (e.g. Nord et Sud). Les Δθ w (= θ w Nord - θ w Sud)
observées sont ainsi calculées pour chaque gène et doivent être distribuées selon une loi
normale sous l’hypothèse d’un modèle neutre d’isolement de ces régions géographiques.
Les gènes présentant une valeur de Δθ w en marge de la distribution normale seraient ainsi
de bons candidats pour détecter de la sélection diversifiante entre les régions
géographiques considérées. Ce test peut être considéré indépendant des taux de mutation
de chaque locus car il est supposé que les gènes considérés présentent le même taux de
mutation dans ces deux régions. Le logiciel MsBayes (Hickerson et al 2006b) peut être
utilisé afin de simuler les valeurs de θ w dans chaque paire de lignées sous modèle neutre
73

Chapitre 2
(nécessité de préciser l’absence de goulôt d’étranglement dans MsBayes) et ainsi d’obtenir
la distribution des probabilités postérieures des Δθ w utilisée pour détecter les Δθ w en marge
de la distribution.
Ce test a été utilisé pour les espèces A. pompejana et B. thermophilus mais n’a pas
permis de détecter de locus « outlier », la totalité des locus étudiés étant situés en milieu de
distribution. Il serait néanmoins intéressant de tester la puissance statistique de ce test en
l’utilisant sur des locus connus comme étant soumis à sélection diversifiante entre régions
géographiques différentes.
10.6. Discrimination entre balayage sélectif et goulôt d’étranglement via
une approche de vraisemblance sur données multilocus : le logiciel
Sweep_bott (Galtier et al 2000)
Afin de discriminer l’effet d’une sélection positive (ou, par autostop moléculaire, de
balayage sélectif) d’un goulôt d’étranglement de la population, une méthode basée sur des
estimations de maximum de vraisemblance de coalescents à plusieurs locus sous
l’hypothèse d’un modèle de réduction de la diversité génétique (logiciel Sweep_bott,
Galtier et al 2000) a également été utilisée lors des approches multigènes. L’idée est de
considérer qu’un goulôt d’étranglement se traduira par une réduction de polymorphisme à
un temps T et avec une force S, ces paramètres étant identiques entre tous les locus
échantillonnés. À l’inverse, le temps et la force d’un balayage sélectif seront différents
voire nuls selon le locus étudié. Cette méthode faisant l’hypothèse d’un modèle en nombre
de sites infini (une mutation ne pouvant survenir qu’une seule fois sur un site donné), les
sites s’écartant de ce modèle (i.e. site à plus de deux états de caractère, les séquences
présentant des sites homoplasiques ayant déjà été éliminées pour obtenir un jeu de qualité
4 à R m nul) sont supprimés pour les analyses utilisant sweep_bott. Nécessitant un codage
binaire des séquences avec 0 représentant l’état ancestral du site et 1 l’état dérivé, les états
de caractère les plus fréquemment échantillonnés pour chaque site donné sont considérés
ancestral (le second état de caractère échantillonné étant ainsi dérivé). Trois modèles sont
définis:
(1) Modèle M1 : modèle neutre (absence d’événement démographique et sélectif),
comptant p paramètres correspondant aux valeurs de θ pour chacun des p locus
74

Chapitre 2
(2) Modèle M2 : modèle « goulôt d’étranglement » (bottleneck). Il compte p+2
paramètres : p valeurs de θ, S et T. Pour un événement démographique, S et T
sont les mêmes pour l’ensemble des locus.
(3) Modèle M3 : modèle de « balayage sélectif » (selective sweep). Il compte 3p
paramètres. En effet, chacun des p locus compte une valeur de θ, un S et un T
différents.
Pour chaque modèle, une valeur de maximum de vraisemblance est calculée (selon
Griffiths & Tavare 1994a, 1994b). Un test de différences relatives de vraisemblance
(likelihood ratio test, LRT = 2(L 2 -L 1 ) distribué selon une loi du χ 2 , où L 1 et L 2
correspondent aux maximum de vraisemblance des modèles considérés) effectué entre
chaque paire de modèles permet ainsi de définir le modèle le plus probable. Si le modèle
M2 est favorisé (significativement différent de M1), alors l’ensemble des locus doit
présenter un écart à la neutralité (LRT par locus significatif). Au contraire, si le modèle M3
est favorisé (significativement différent de M1 et M2), les locus sous balayage sélectif
doivent montrer un écart à la neutralité, séparément. Dans le cas où, un locus sous
balayage sélectif s’additionne à un goulôt d’étranglement, on s’attend à ce que : (1) les
modèles M2 et M3 soient tous les deux significativement différents du modèle M1, (2) le
modèle M3 soit favorisé vis-à-vis du modèle M2 (au moins un locus présentant un T et un
S différents des autres locus), (3) tous les locus soient significativement différents du
modèle M1 mais, que le locus (ou les locus) sous balayage sélectif présentent un LRT plus
fort que le LRT des locus non soumis à balayage.
75

Chapitre 2
76

Chapitre 3
Chapitre 3 : Phylogéographie comparée des
espèces hydrothermales de la dorsale du
Pacifique oriental à l’aide du gène mitochondrial
de la Cytochrome Oxydase I
1. Introduction à l’approche de phylogéographie comparée des espèces
Jusqu’à aujourd’hui, la plupart des études phylogéographique ont été menées sur
une espèce à la fois et visaient à mettre en évidence les processus ayant conduit à une
différenciation génétique avec monophylie réciproque (divergence fixée entre lignées
soeurs). Néanmoins, si la monophylie réciproque (Fig. 3.1) entre lignées constitue un cas
extrême de différenciation génétique, pouvant mener à la spéciation, le processus
d’isolement génétique est progressif. Les généalogies de gènes vont ainsi passer par une
phase de tri des lignées allant de la polyphylie (absence d’isolement génétique) à de la
paraphylie (isolement génétique incomplet) avant de présenter, potentiellement, une
monophylie réciproque (Nosil et al 2009, Fig. 3.1).
Pour qu’il y ait monophylie réciproque, le polymorphisme ancestral doit être éliminé
par dérive génétique et/ou sélection naturelle. Le temps nécessaire pour atteindre ce stade
de différenciation dépendra donc de la taille efficace des populations (Avise 2000). Ainsi,
la probabilité d’observer une monophylie réciproque lors d’un isolement de deux
populations par une barrière à la dispersion, augmente au cours du temps et s’avère
d’autant plus forte que la taille efficace de la population est petite (Fig. 3.2).
77

Chapitre 3
Gradient d’isolement
génétique
Initiation
Isolement total
Isolement
génétique des
individus
Coalescent
Fig. 3.1 Etapes de mise en place d’un isolement génétique complet et des coalescents théoriques
associés à ces étapes. Adaptée de Nosil et al (2009).
Les individus sont représentés par des cercles, la couleur indique le génotype. Les individus bicolores
correspondent à des individus hybrides.
0 Ne 2Ne 3Ne 4Ne
Nombre de générations depuis la divergence
Fig. 3.2 Probabilité d’obtenir un coalescent polyphylétique, paraphylétique ou en monophylie
réciproque en fonction du temps écoulé depuis le début de la divergence en allopatrie de deux
populations. Adaptée de Neigel & Avise (1986)
La taille efficace Ne est supposée identique pour les deux populations et constante au cours du temps
78

Chapitre 3
De plus, la monophylie réciproque n’est pas nécessairement immuable. En effet, si
l’isolement reproducteur n’est pas complet (spéciation non atteinte), une remise en contact
secondaire entre lignées géographiquement isolées, par exemple, peut engendrer de
l’hybridation entre ces lignées, donnant ainsi lieu à un coalescent para- voire
polyphylétique. Ainsi, un coalescent para/poly-phylétique peut être dû soit à une rétention
de polymorphisme ancestrale (Fig. 3.3.A), soit à une remise en contact secondaire après un
relâchement de la barrière aux flux de gène (Fig. 3.3.B). Dans les 2 cas, cela se traduit par
un mélange d’allèles au niveau des 2 lignées dans les populations échantillonnées mais
dans lequel la coalescence de l’allèle « introduit » est généralement profonde s’il est
associé à un polymorphisme ancestral non trié, ou terminale si le contact secondaire est
récent.
A Site 1 Site 2 B Site 1 Site 2
Temps en générations
1
1
10 1
10 1
10 4
10 4
10 7 10 7
Barrière aux flux de gène
Barrière aux flux de gène
Fig. 3.3 Deux scénarii alternatifs pour expliquer un coalescent para/poly-phylétique entre
deux sites géographiquement distincts. Adaptée de Avise (2000)
A, rétention de polymorphisme ancestral ; B, remise en contact secondaire.
Avise (1987) suppose que les capacités de dispersion jouent un rôle majeur dans la
structure géographique des lignées. Chez les invertébrés marins, la présence d’une phase
larvaire planctonique, sa durée de vie et la possibilité de migration des individus adultes sont
autant de traits d’histoire de vie qui favorisent la dispersion. Ils interagissent avec les
79

Chapitre 3
contraintes environnementales et peuvent ainsi permettre ou non de franchir des barrières à la
dispersion. Généralement, plus les traits d’histoire de vie favorisent la dispersion et plus la
structure génétique observée est faible (Palumbi 1994 ; Féral 2002 ; Kinlan & Gaines 2003).
L’analyse de séquences du gène mitochondrial Cytochrome Oxydase I sur plusieurs espèces
de crépidules (gastéropodes invasifs) le long de la côte est de l’Amérique du Nord, a montré
que les espèces à développement direct présentaient une structure génétique plus marquée que
celles à développement larvaire planctotrophe (Collin 2001). Wilke & Davis (2000)
considèrent que la différenciation génétique observée chez le gastéropode Hydrobia ventrosa
(développement direct) est plus élevée que chez H. ulvae (1-3 jours de stade larvaire
planctonique), et pourrait être liée à des différences d’habitat entre les populations d’adultes
plutôt qu’au mode de développement lui-même. Rolán-Alvarez et al (1995) suggèrent, quant à
eux, que les différences de structure génétique entre deux espèces de littorines (Littorina
mariae et L. obtusata) à développement direct seraient dues à un temps de génération
différent entre ces espèces. De nombreux critères (cycle de vie, morphologie, physiologie,
comportement, etc) influençant les capacités de dispersion des espèces, mais également leur
potentiel d’adaptation à un habitat donné, entrent ainsi en jeu et affectent la topologie des
coalescents. Lors d’une étude monospécifique, l’absence de monophylie réciproque entre
populations issues de sites géographiquement distincts pourrait alors signifier :
(1) l’absence de barrière à la dispersion entre ces sites
(2) l’existence d’une barrière à la dispersion mais qui ne constituerait pas un
obstacle pour, celle-ci présentant potentiellement de meilleures capacités de dispersion que
les autres espèces plus structurées
(3) l’existence d’une barrière ayant anciennement impacté cette espèce mais plus
récemment perméable aux flux de gènes après la remise en contact secondaire des lignées
Afin de mieux connaître les causes de la distribution géographique des lignées
intraspécifiques d’une espèce, il est intéressant de comparer les patrons
phylogéographiques de cette espèce à ceux d’autres espèces présentant une distribution
géographique similaire. Ainsi, les concordances/discordances phylogéographiques entre
espèces informeront sur l’impact d’une barrière aux flux de gènes et donc sur l’intensité ou
sur l’âge de la barrière responsable de la structure géographique observée (Zink 2002).
Cette approche comparative apporte ainsi des informations précieuses sur les facteurs
ayant façonné la distribution géographique des lignées, et peut permettre de déduire la
nature de cette barrière (e.g. géologique, courantologie, distance à parcourir…). De plus, la
phylogéographie comparée entre espèces peut également, dans certains cas, permettre de
déterminer les traits d’histoire de vie spécifiquement responsable des dissemblances de
80

Chapitre 3
comportement des espèces face à cette barrière (Bermingham & Avise 1986, Bermingham
1998). De plus, l’analyse conjointe de plusieurs taxons issus de régions ayant des histoires
communes telles que celles associées à la fermeture de l’Isthme de Panama ou de
l’ouverture du détroit de Béring peut fournir des informations précieuses sur les logiques
d’extinction totale ou partielle de certaines lignées voire d’inférer des scénarios sur la
recolonisation d’une région/environnement par la lignée ayant survécu dans l’autre
région/environnement (Cunningham & Collins 1998).
Dans ce chapitre, nous avons effectué une approche de phylogéographie comparée
de sept espèces hydrothermales profondes de la dorsale du Pacifique oriental (EPR) en
utilisant le gène mitochondrial de la Cytochrome Oxydase I (mtCOI). Ce chapitre
correspond à un article publié dans la revue Molecular Ecology, présenté après un résumé
en français. Il a pour objectif de tester l’hypothèse d’une barrière aux flux de gènes au
niveau de la zone équatoriale de l’EPR pouvant avoir donné lieu à un événement vicariant
majeur ayant séparé les faunes hydrothermales du Pacifique est. Cette étude de ce fait
pourrait permettre de valider l’hypothèse de 2 sous-unités biogéographiques proposées par
Bachraty et al (2009) et éventuellement de dater cette séparation. Le choix de cette zone a
été guidée par les travaux d’Hurtado et al (2004) qui soulignaient la possibilité d’une
barrière au niveau du point triple des Galapagos chez les polychètes Alvinella pompejana
et Tevnia jerichonana sur la base de monophilies réciproques de part et d’autre de cette
barrière.
2. Résumé de l’article de phylogéographie comparée entre espèces
Pour effectuer notre approche de phylogéographie comparée entre espèces, nous
avons choisi d’utiliser des espèces appartenant à des familles différentes (gastéropodes :
Lepetodrilus elevatus, L. ovalis, Eulepetopsis vitrea, polychètes : Alvinella pompejana,
Hesiolyra bergi, Branchipolynoe symmytilida, et un bivalve : Bathymodiolus thermophilus,
Fig. 3.4) afin d’obtenir une vue d’ensemble des distributions phylogéographiques
d’espèces présentant des traits d’histoire de vie contrastés. Ces espèces sont relativement
abondantes sur l’EPR, permettant l’échantillonnage nécessaire à une étude de populations,
et endémiques de l’EPR. Ces espèces ont été échantillonnées sur neuf champs
81

Chapitre 3
hydrothermaux répartis de 21°N à 21°S. Deux à trois cents individus par espèce ont été
séquencés sur un fragment du gène mtCOI.
Malgré les disparités biologiques entre ces espèces, les réseaux d’haplotypes du gène
mtCOI (Fig. 3.5) révèlent des topologies similaires avec deux clades divergents, à
l’exception du polychète commensal des moules hydrothermales, B. symmytilida. Cette
dernière espèce montre, en effet, un réseau plus complexe suggérant une diversification
plus ancienne et l’absence de co-évolution entre ce polychète et son hôte.
Le polychaete A. pompejana et le gastéropode E. vitrea présentent exactement la
même architecture de réseau d’haplotypes (Fig. 3.5), avec deux clades distints (divergence
de 1% pour A. pompejana et 0,9% pour E. vitrea) séparés de part et d’autre de l’Equateur.
L. elevatus compte deux clades A et B divergents de 6,5% correspondant aux deux
espèces cryptiques définies par Matabos et al (2008b) distribués respectivement de 21°N à
9°50’N (clade A) et de 9°50’N à 21°S (clade B). Quelques individus du clade B ayant été
également échantillonnés à 13°N. La population de 21°N est composée uniquement de
l’haplotype 1. La population de 9°50’N diffèrent légèrement des autres populations du Sud
par la présence de l’haplotype 4 trouvé en plus forte fréquence sur ce site, expliquant la
significativitédu φ st calculé au sein du clade B entre cette population et celles situées plus
au Sud.
Les deux clades détectés chez L. ovalis (2% de divergence) forment un cline de 14°S
à 21°S, alors que les champs hydrothermaux 9°50’N et 7°25’S ne sont composés que
d’haplotypes du clade A. Le bivalve B. thermophilus montre, à l’inverse, un cline de ces
clades divergents au Nord (13°N à 7°25’S) et des séquences du clade B uniquement au Sud
(14°S à 21°S).
H. bergi montre un réseau d’haplotype en étoile avec un haplotype central distribué
sur l’ensemble de l’EPR et quelques individus du Sud présentant une divergence de 1%.
La distribution géographique des haplotypes met ainsi en exergue la présence d’une zone
de transition entre le nord et le sud de la dorsale. Cette zone de transition est confirmée par
l’augmentation des valeurs de différenciation génétique (φ st ) entre 17°S et l’équateur.
82

Chapitre 3
Bathymodiolus thermophilus
(bivalve formant de véritables moulières)
Alvinella pompejana
(polychète tubicole)
Hesiolyra bergi
(polychète libre, proche des
tubes d’A. pompejana)
Branchipolynoe symmytilida
(polychète commensal des
Bathymodiolus)
Eulepetopsis vitrea
(gastéropode associé au
pôle froid des sources
hydrothermales)
Lepetodrilus elevatus (à gauche) et L. ovalis (à droite), gastéropodes
abondants sur des roches, Riftia pachyptila (au centre) et Bathymodiolus
Fig. 3.4 Photographies des espèces étudiées par l’approche de phylogéographie comparée
sur le mtCOI. Tirées de Desbruyères et al (2006b)
83

Chapitre 3
Fig. 3.5 Réseaux d’haplotypes en Median Joining et distributions des fréquences haplotypiques du
gène mtCOI pour les sept espèces étudiées.
Sur les réseaux, la taille des cercles d’haplotypes et les connexions entre haplotypes sont proportionnelles
au nombre de séquences et de pas mutationnels, respectivement. A et B représentent les deux clades
divergents pour chaque espèce.
Sur les distributions d’haplotypes, les haplotypes partagés ayant une fréquence > 2% au sein du clade
considéré sont colorés. Les haplotypes privés et haplotypes partagés en fréquence < 2% au sein du clade
considéré sont représentés en blanc. Bt, Bathymodiolus thermophilus ; Ap, Alvinella pompejana ; Hb,
Hesiolyra bergi ; Bs, Branchipolynoe symmytilida ; Ev, Eulepetopsis vitrea ; Lo, Lepetodrilus ovalis ; Le,
Lepetodrilus elevatus.
84

Chapitre 3
L’hypothèse d’horloge moléculaire ayant été testée et validée sur les jeux de
données, nous avons ensuite cherché à déterminer si les divergences observées entre les
deux clades de chaque espèce (pouvant correspondre aux lignées ayant divergé de part et
d’autre d’une même barrière entre nord et sud EPR) étaient issues d’un même événement
de vicariance. Pour cela, nous avons utilisé une nouvelle approche basée sur une méthode
d’ « Approximate Bayesian Computation » (méthode dite ABC) à l’aide du logiciel
MsBayes (Hickerson et al 2007, voir le chapitre 2 pour plus d’explication). Cette analyse a
permis de mettre en évidence la présence de deux évènements de divergence datés
respectivement à 11,6 Ma pour L. elevatus uniquement et, correspondant aux deux espèces
cryptiques découvertes par Matabos et al (2008b), et à 1,3 Ma pour les six autres espèces.
L’observation de la divergence entre les haplotypes 3 (sud EPR) et 4 (principalement à
9°50’N) chez l’espèce cryptique L. elevatus majoritairement trouvée de 9°50’N à 21°33’S,
pourrait correspondre également à l’événement de divergence daté à 1,3 Ma. Ainsi, L.
elevatus aurait à la fois subi un isolement allopatrique ayant donné lieu aux deux espèces
cryptiques et à la zone de contact à 9°50’N, mais également un isolement concomitant à
celui des autres espèces à 1,3 Ma entre 9°50’N et le sud de l’EPR (haplotype 4 plus
fréquent à 9°50’N).
Il y a 12,5-11 Ma, la Mathematician Ridge, située au Nord, a subi d’importantes
réorientations magnétiques et bathymétriques, provoquant la formation d’un système de
dorsales parallèles (microplate Mathematician) avec la Mathematician Ridge à l’ouest et la
Moctezuma Trough à l’est (Mammerickx & Kligtgord 1982, voir chapitre 1). Ce n’est
qu’environ 4-5 Ma plus tard (7-5 Ma) que la Moctezuma Trough (survivante des 2 dorsales
après fossilisation de la Mathematician Ridge) et l’oEPR aurait fusionné pour former
l’EPR actuelle. Cette réorganisation de la dorsale au Nord avec la formation temporaire de
la microplaque Mathematician pourrait avoir été à l’origine de la spéciation chez L.
elevatus, il y a 11,6 Ma. Concernant le deuxième événement de vicariance ayant affecté
l’ensemble des espèces aux alentours de l’équateur, il pourrait être lié à la formation de
plusieurs failles transformantes entre 9°50’N et 17°25’S (i.e. système de fracture
Quebrada/Discovery/Gofar, ou failles transformantes Wilkes et Garrett) qui ont fracturé
l’axe de la dorsale en multiples fragments il y a 1-2 Ma (Kureth & Rea 1981, Naar & Hey
1989, Francheteau et al 1990). Cette barrière aurait pu être renforcée par une discontinuité
des courants profonds dans cette zone (cf Reid 1997, Hurtado et al 2004).
85

Chapitre 3
La formation lente et progressive d’une barrière tectonique associée à des
caractéristiques de dispersion et/ou d’adaptation contrastés chez les espèces étudiées,
pourraient expliquer que la barrière aux flux de gènes se situe à des positions
géographiques légèrement différentes entre espèces (Knowlton & Weigt 1998). Il est
extrêmement difficile de détecter un critère biologique et/ou écologique unique pouvant
expliquer ces différences. A. pompejana et H. bergi partagent le même habitat (proche du
fluide, H. bergi se déplaçant autour voire dans les tubes d’A. pompejana) et, présentent
néanmoins des distributions d’haplotypes très contrastées. Ces distributions sont marquées
par une barrière hermétique à l’équateur pour A. pompejana, et par la survivance d’une
lignée sud divergente d’H. bergi très rarement échantillonnée au-delà de 17°25S. Le
microenvironnement seul ne semble donc pas jouer de rôle dans la différence de
distribution de ces espèces. Les caractères dispersifs des espèces hydrothermales restent
relativement peu connus mais ne semble pas expliquer non plus ces différences. La taille
des œufs, leur contenu en vitellus ou le comportement des larves peuvent influencer la
migration verticale des propagules (Mullineaux et al 2005, Arellano & Young 2009). La
force et le sens des courants océaniques peuvent varier en fonction de la profondeur. Par
conséquent, la migration verticale des propagules entre espèces pourrait jouer un rôle dans
les dissemblances observées dans le franchissement de la barrière. Cela pourrait également
expliquer les résultats obtenus à l’aide du logiciel Migrate 3.0.3 (Beerli & Felsenstein
1999, 2001), avec H. bergi présentant une migration orientée de la lignée mitochondriale la
plus fréquente du Nord vers le Sud alors que celles de L. elevatus, L. ovalis, B.
thermophilus et B. symmytilida auraient plutôt migré du Sud vers le Nord. Des études
complémentaires sur les capacités de dispersion des espèces pourraient permettre de mieux
comprendre ces dissemblances.
La forme en étoile des réseaux d’haplotypes ainsi que les D de Tajima
significativement négatifs au Sud de l’EPR pour l’ensemble des espèces étudiées,
suggèrent une expansion démographique au Sud de la dorsale. Cette expansion
démographique serait concomitante entre toutes les espèces (hormis B. symmytilida) et
datée de moins de 500 000 ans. Cette expansion démographique pourrait être due (1) à une
colonisation récente de l’EPR Sud par des effets fondateurs, en provenance, par exemple,
de sites situés au Sud de la microplaque de Pâques (23°S), ou (2) à la fréquence plus élevée
d’éruptions massives avec ensevelissement de la faune au Sud de l’EPR (fréquentes dans
cette région, e.g. Haymon et al 1993, Cowen et al 2007). Ces dernières auraient alors
détruit massivement la faune et engendré des goulôts d’étranglement plus aigus.
86

Chapitre 3
3. Article : phylogéographie comparée entre espèces sur le gène mtCOI
87

Chapitre 3
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Chapitre 3
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Chapitre 3
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Chapitre 3
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Chapitre 3
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Chapitre 3
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Chapitre 3
4. Intérêts et limites de l’approche de phylogéographie comparée
Les approches de phylogéographie monospécifique permettent de révéler des
barrières aux flux de gènes ayant impacté l’espèce étudiée et de poser des hypothèses
quant à l’histoire évolutive de cette espèce. Les apports de la phylogéographie comparée
ajoute une dimension supplémentaire en détectant des changements environnementaux
majeurs (cataclysmes tels qu’une éruption volcanique majeure, changements climatiques,
fermeture ou ouverture d’un passage entre 2 régions) ayant impactés l’ensemble de la
faune et la flore associée, tant du point de vue de la vicariance que de l’histoire
démographique.
4.1. Apports de la phylogéographie comparée entre espèces dans l’étude
des processus de vicariance
L’estimation du temps de divergence T entre deux lignées répond à une équation, en
apparence, simple : T = D/2r où D correspond à la divergence génétique observée entre ces
lignées et r, au taux de substitution du gène considéré. Il semble alors aisé, pour une espèce
donnée, d’estimer la date d’isolement de deux lignées monophylétiques et d’en rechercher
la cause dans l’histoire de l’espèce (e.g. causes environnementales associées à la mise en
place de la barrière). Néanmoins, cette corrélation entre divergence génétique et mise en
place d’une barrière géographique pose en réalité de nombreux problèmes (e.g. Rambaut &
Bromham 1998, Welch et al 2005).
Tout d’abord, la corrélation temps de divergence/divergence génétique nécessite
l’accès au taux de substitution du gène considéré. L’estimation d’un taux de substitution
s’effectue généralement en comparant la divergence entre un ADN ancien issu de fossiles
datés et un ADN actuel d’un même taxon (Shapiro et al 2004 : Rise and fall of the
Beringian steppe bison, Science) ou par le biais de la divergence génétique entre lignées
sœurs situées de part et d’autre d’une barrière géographique bien datée géologiquement
(Knowlton & Weigt 1998, Chevaldonné et al 2002). Il peut être également obtenu de façon
expérimental en suivant l’accumulation des nouvelles mutations entre les lignées
généalogiques d’une espèce donnée sur plusieurs générations (Holwell et al 2003).
Néanmoins, cette technique est sujette à caution par le fait que les mutations délétères sont
102

Chapitre 3
purgées plus rapidement dans la divergence que dans le polymorphisme, donnant lieu à des
taux de mutation nettement plus élevée lorsqu’estimée par cette approche (Emerson 2007).
Une fois estimé par l’intermédiaire d’une datation géologique précise, ce taux de
substitution pourrait alors être utilisé pour estimer un temps de divergence entre lignées
pour une autre zone géographique. Néanmoins, le taux de substitution est souvent
variable, non seulement selon l’espèce étudiée, mais aussi au cours du temps de manière
indépendante dans chaque lignée évolutive (deux lignées actuelles pouvant avoir évolué
selon des taux de substitution différents à partir d’une même lignée mère : e.g. Ho 2009).
Afin de corréler la divergence génétique observée au temps de divergence, il est donc
nécessaire de vérifier l’hypothèse d’horloge moléculaire (Zuckerkandl & Pauling 1965)
qui suppose un taux de substitution constant au cours du temps et entre lignées évolutives.
Un écart à la neutralité du gène considéré (balayage sélectif) peut également
engendrer une mauvaise estimation du temps de divergence. En effet, la réduction du
polymorphisme liée à de la sélection purifiante sur le gène considéré, engendrera ainsi une
sous-estimation de la divergence entre clades par rapport à un coalescent neutre (voir
l’introduction générale partie 3.2). La divergence estimée au gène sous sélection pourrait
alors ne pas correspondre à l’événement ayant donné lieu à l’isolement des espèces ou des
lignées intra-spécifiques.
Sous les hypothèses de l’horloge moléculaire et de l’accumulation neutre des
mutations, la divergence génétique entre clades peut alors permettre de dater l’événement
d’isolement de ces clades. Si ces clades sont sub-divisés géographiquement, alors cette
datation peut être reliée à l’existence d’une potentielle barrière géographique aux flux de
gènes. Une approche phylogéographique espèce par espèce permet, en comparant les
différentes dates obtenues, d’appréhender si ces espèces présentent des dates de divergence
proches, potentiellement issues d’un même événement d’isolement géographique. Dans le
cas de la barrière équatoriale de l’EPR, les dates de divergence coïncident relativement
bien même s’il existe une forte variance associée due à la stochasticité du processus de tri
des allèles sur une période de temps aussi courte (1-2 millions d’années). Il est en effet
évident que plus l’événement de spéciation est ancien et plus la proportion de gènes ayant
atteint la monophilie réciproque est élevée, ce qui fournit une meilleure estimation interespèces
(Neigel & Avise 1997). Cette estimation peut être néanmoins rapidement biaisée si
le temps de divergence devient trop long et génère une saturation du signal phylogénétique
au niveau du gène étudié (Avise 1994). L’approche comparative d’Hickerson et al (2006)
avec le logiciel MsBayes, apparaît beaucoup plus informative. Sous l’hypothèse d’un taux
103

Chapitre 3
de mutation constant au cours du temps (horloge moléculaire), elle permet de tester le
nombre d’évènements d’isolement génétique et de déterminer les dates les plus probables
auxquelles ses évènements de vicariance ont eu lieu en imposant une histoire
démographique propre à chaque lignée sœur.
De plus, la phylogéographie comparée permet de préciser le positionnement de la
barrière aux flux de gènes lorsque les espèces étudiées possèdent des capacités de
dispersion légèrement différentes (e.g. Maggs et al 2008, l’étude d’une seule espèce
pouvant engendrer une mauvaise interprétation de la position géographique historique de
cette barrière). L’approche comparative d’Hickerson et al (2006b) avec le logiciel
MsBayes, est beaucoup plus informative. Elle permet de tester le nombre d’évènements
d’isolement génétique et de déterminer les dates les plus probables auxquelles ses
évènements de vicariance ont eu lieu.
4.2. Apports de la phylogéographie comparée dans l’étude de l’histoire
démographique des populations
Outre les informations de vicariance, la phylogéographie comparée peut également
s’avérer un outil puissant pour détecter des évènements démographiques et notamment de
distinguer l’effet sélectif de l’effet démographique si ce dernier a été causé par une
perturbation environnementale « globale » ayant affectée l’ensemble de la faune (e.g.
glaciations, éruption volcanique, etc…). En effet, la topologie d’un coalescent à un gène
donné pour une espèce donnée ne permet pas de dissocier les causes ayant engendrées un
écart à l’accumulation neutre des mutations dans le polymorphisme. Si les tests d’écarts à
la neutralité (tests de Tajima, Fu & Li ou Fay & Wu) sont congruents entre plusieurs
espèces pour une zone géographique donnée ou une lignée intra-spécifique donnée ), il est
alors peu probable que cet écart soit dû à des évènements sélectifs concomitants sur le gène
mais plus à une expansion démographique ou un goulot d’étranglement récent(e) affectant
toutes les espèces (Zink 2002). Dans notre cas (espèces hydrothermales de l’EPR),
l’hypothèse la plus parcimonieuse est alors une modification de l’habitat ayant engendré
un événement démographique particulier sur l’ensemble des espèces. Cette réduction de la
taille des populations (goulot d’étranglement ou bottleneck) suivie d’une expansion
démographique à partir des individus restants semble ici liée à une réduction de l’activité
104

Chapitre 3
hydrothermale ou à une série d’épanchements de magma (volcanisme effusif) ayant
engendré une destruction importante de la faune associée. L’autre hypothèse d’une
colonisation récente de l’EPR sud à partir d’une succession d’effets fondateurs du nord
vers le sud est beaucoup plus difficile à considérer eu égard à la disparité des modes de
dispersion observés chez les espèces étudiées et à l’absence d’une réelle migration
asymétrique orientée du nord vers le sud au travers de la barrière équatoriale.
4.3. Limites de la phylogéographie comparée monogène
Si la comparaison de patrons phylogéographiques concordants entre espèces peut
permettre de mieux évaluer la date de l’événement d’isolement, les études intégratives,
telles que celles d’Hickerson et al (2006), nécessitent de comparer le même gène pour un
ensemble d’espèces ayant la même histoire et reposent sur un modèle de spéciation avec
changements démographiques indépendants. Or, l’obtention de séquences à un même gène
sur plusieurs espèces peut s’avérer techniquement difficile en absence d’amorces dites
« universelles ». Pour cette raison, les approches intégratives de phylogéographie
comparée ont, pour le moment, été menées presque exclusivement sur le gène
mitochondrial de la Cytochrome Oxydase I (Hickerson et al 2006a, Hickerson & Meyer
2008, Plouviez et al 2009 ; exception : Hickerson et al 2006b, étude menée sur des introns
peu variables). Or, les gènes mitochondriaux présentent généralement une héritabilité
uniquement maternelle (mais voir par exemple, Skibinski et al 1994 pour la double
héritabilité mitochondrial). Ceci implique que les patrons phylogéographiques observés par
cette approche intégrative ne reflètent que la distribution des lignées femelles. L’utilisation
de gènes nucléaires (hérédité biparentale) pourraient donc complémenter ces approches.
De même, le développement de nouvelles méthodes d’analyses permettant d’inclure
plusieurs gènes dans les approches intégratives sur plusieurs espèces, pourraient minimiser
les risques d’observer des patrons de distribution propres au gène étudié et non
représentatif de l’espèce.
105

Chapitre 3
106

Chapitre 4
Chapitre 4 : Étude d’une barrière semi-permeable à la
dispersion par une approche multi-locus sur plusieurs
espèces
1. Introduction à l’étude d’une barrière à la dispersion par une approche
multi-locus
L’utilisation d’un seul locus dans les études de phylogéographie pouvant conduire à
des conclusions erronées, en inférant l’histoire du gène plutôt que l’histoire de l’espèce
(Hudson 1983, Pamilo & Nei 1988, Maddison 1997), Avise & Ball (1990) soulignent la
nécessité de tester la concordance du signal phylogéographique entre plusieurs locus
indépendants afin de reconstruire l’histoire évolutive des populations. Ainsi, par exemple,
si plusieurs locus regroupent de la même manière des populations différenciées
génétiquement de part et d’autre d’une barrière à la dispersion préalablement supposée,
cette concordance entre locus apporte du crédit à l’existence d’une telle barrière et permet
éventuellement de mieux situer sa position géographique. Néanmoins, la stochasticité du
processus de coalescence implique que, pour que plusieurs gènes présentent une
différenciation génétique concordante à travers une barrière (accumulation de divergence
sur des gènes différents), la cessation des flux de gènes doit être relativement longue
(Avise & Ball 1990). Il n’en demeure pas moins vrai qu’une convergence dans la disparité
des distributions alléliques (analyse des fréquences alléliques) peut être également
observée à une échelle de temps moins grande et conduire aux mêmes conclusions si les
effets dynamiques liés au fonctionnement des populations sont négligeables (effet
« métapopulation »).
Le nombre optimal de locus pour estimer des paramètres de taille efficace
(Pluzhnikov & Donnelly 1996, Felsenstein 2006, Carling & Brumfield 2007), de flux de
gènes (Beerli & Felsenstein 1999) ou de taux d’expansion démographique (Kuhner et al
1998), dépend de la complexité de la dynamique de ces populations, de l’écart potentiel
des gènes étudiés au modèle d’évolution neutre et, de l’histoire évolutive de l’espèce
107

Chapitre 4
considérée (Edwards & Beerli 2000, Hickerson et al 2007, Peters et al 2007). Felsenstein
(2006) suggère néanmoins, qu’il est généralement plus informatif d’augmenter le nombre
de locus indépendants considérés plutôt que le nombre d’individus ou la longueur des
séquences utilisées.
Du fait de leur taille efficace plus faible liée à leur héritabilité généralement
uniquement maternelle, les marqueurs cytoplasmiques (mitochondriaux mais également
chloroplastiques chez les végétaux) ont une plus grande probabilité de montrer une
structure phylogéographique prononcée que les marqueurs nucléaires (Moore 1995). Ainsi,
quand l’ADN mitochondrial présente une monophylie réciproque entre deux populations,
les gènes nucléaires peuvent n’arborer qu’une para- ou polyphylie (Fig. 4.1, Zink &
Barrowclough 2008). L’accumulation et la fixation des mutations dans le polymorphisme
ne dépend pas du taux de mutation du gène considéré, mais presque exclusivement de sa
taille efficace (Zink & Barrowclough 2008).
108

Chapitre 4
Fig. 4.1 Détectabilité des évènements de vicariance et coalescents de gènes
mitochondriaux et nucléaires associés sous l’hypothèse neutre. Adaptée de Zink &
Barrowclough (2008).
Les mutations sont représentées sur les coalescents, permettant de comprendre que le taux
de mutations n’affecte pas le temps de coalescence.
Cependant, la structure phylogéographique observée par des marqueurs cytoplasmiques a
également plus de chance d’avoir une origine purement stochastique, sous l’effet de la
dérive génétique (les séquences échantillonnées dans les populations ont une chance plus
grande d’apparaître sous une monophylie réciproque car la monophylie réciproque est plus
rapidement atteinte pour ce type de marqueur à taille efficace Ne, Kuo et Avise 2005,
Irwin 2002, Zink & Barrowclough 2008) et nécessite donc d’être confirmée par des locus
nucléaires indépendants afin d’inférer l’histoire phylogéographique de l’espèce. De plus,
les marqueurs à hérédité uniparentale ne tracent l’histoire que d’un sexe. Or, mâle et
femelle peuvent parfois avoir subi des histoires évolutives différentes (e.g. migration
différentielle entre sexes, phylopatry, Hoelzer 1997) et ainsi extrapoler cette histoire aux
deux sexes peut engendrer des conclusions erronées.
Parce qu’ils reflètent à la fois l’évolution des mâles et des femelles, les gènes
nucléaires peuvent donc améliorer la compréhension de l’histoire phylogéographique de
109

Chapitre 4
l’espèce étudiée, mais également permettre d’évaluer la perméabilité d’une barrière
génétique via l’étude de l’hybridation potentielle entre lignées divergentes. Si un individu
hybride est capable de donner une descendance (introgression), ces individus introgressés
peuvent influencer l’histoire des lignées de différentes manières (cf. revue de Seehausen
2004) : (1) engendrer l’homogénéisation génétique de ces lignées, (2) le transfert de
matériel génétique entre lignées, potentiellement favorisé par de la sélection positive, (3)
un renforcement de l’isolement reproducteur entre lignées. Cependant, ces individus
peuvent également être retenus dans une zone de contact secondaire entre les lignées
divergentes (zone d’hybridation) suivant un équilibre entre la dispersion et la sélection
contre les hybrides (Barton & Hewitt 1985). L’étendue géographique d’une zone
d’hybridation dépend de cet équilibre et peut ainsi permettre de mieux comprendre
l’impact d’une barrière génétique dans la structure des populations.
Dans le chapitre précédent, nous avons mis en évidence la présence d’un événement
de vicariance partagé entre sept espèces (1,3 Ma) le long de la dorsale du Pacifique oriental
sud laissant supposer l’existence d’une spéciation de type allopatrique en cours et, d’un
second événement plus ancien (11,6 Ma) ayant conduit à une spéciation chez L. elevatus
au niveau de la dorsale EPR nord (décalage géographique de la zone de contact
secondaire). Néanmoins, l’utilisation du seul gène mtCOI ne nous a pas permis de
déterminer avec précision l’emplacement de la barrière aux flux de gènes pour chacune de
ces espèces. En effet, si A. pompejana et E. vitrea présentent une monophylie réciproque
de part et d’autre de l’équateur, les lignées divergentes de B. thermophilus, par exemple, se
distribuent selon un cline géographique le long de l’EPR, la lignée majoritairement
distribuée au Nord n’étant pratiquement pas échantillonnée de 14°S à 21°33’S (2 individus
à 17°25’S). La question de savoir si la présence de lignées mitochondriales divergentes
traduit une spéciation en cours avec ou non la formation de zones de contact secondaire
mérite également toute notre attention. De la même façon, sous l’hypothèse d’un contact
secondaire (i.e. L. elevatus, L. ovalis ou B. thermophilus), il semble également important
de déterminer si ces lignées sont capables de s’hybrider, de préciser la nature de
l’hybridation et d’estimer le niveau d’introgression entre celles-ci. De plus, la détection
préalable d’hybrides via des marqueurs allozymiques (Matabos et al 2008b) entre les
espèces cryptiques de L. elevatus dans une zone de contact située à 9°50’N pose la
question de l’étendue de cette zone d’hybridation (seules les populations de 13°N, 9°50’N
et 17°25’S avaient été génotypées par ces auteurs). Dans ce présent chapitre, nous avons
110

Chapitre 4
donc choisi de comparer les patrons phylogéographiques contrastés révélés par le mtCOI à
ceux obtenus sur des marqueurs nucléaires chez A. pompejana, B. thermophilus et L.
elevatus, appartenant à des classes distinctes et pour lesquelles des banques d’ADN
complémentaires nous permettaient d’accéder à de tels marqueurs (cf. Chapitre 2). Ces
analyses phylogéographiques multi-locus seront présentées après une brève présentation de
la taxonomie et des principaux traits d’histoire de vie des espèces cibles.
2. Taxonomie et traits d’histoire de vie des espèces cibles
La phase larvaire constitue le vecteur principal de colonisation des espèces à cycle
bentho-pélagique (Pechenik 1999). Néanmoins, la capacité natatoire des larves étant
extrêmement limitée, cette dispersion s’effectue essentiellement de manière passive par
l’intermédiaire des courants de fond orientés dans l’axe du graben (Chevaldonné et al 1997).
Ainsi, toute modification topographique de la dorsale (segmentation de la vallée axiale par
des failles transformantes, microplaque) ou altération de la circulation océanique (inflations
bathymétriques) peuvent modifier l’écoulement des eaux de fond et, engendrer des barrières
à la dispersion. Ces barrières peuvent être responsables de véritables discontinuités
génétiques, faisant du milieu hydrothermal un environnement propice à la spéciation par
vicariance à l’échelle de la dorsale océanique.
2.1. A. pompejana
La famille des Alvinellidae est endémique des sources hydrothermales de l’océan
Pacifique (Desbruyères & Laubier 1991) et se compose d’une douzaine d’espèces dont
deux appartenant au genre Alvinella (Desbruyères et al 2006b) : A. pompejana et A.
caudata (les autres étant du genre Paralvinella), trouvés uniquement sur l’EPR. La
séparation phylogénétique des espèces sur la base de leurs isoformes enzymatiques a
montré que les regroupements d’espèces ne se faisaient pas en fonction de leur proximité
géographique mais en plutôt en fonction de l’habitat (notamment le preferendum
thermique : Jollivet et al 1995) laissant supposer qu’une spéciation de type ‘écologique’ ait
pu prédater une spéciation de type allopatrique (existence d’espèces jumelles entre EPR et
dorsale nord Pacifique : Tunnicliffe 1991).
111

Chapitre 4
Le polychète tubicole Alvinella pompejana a été observé à des températures pouvant
atteindre 105°C sur de courtes périodes (enroulement d’un individu sur une sonde
indiquant 105°C), avec des températures à l’ouverture du tube de 20-45°C (Chevaldonné et
al 2002). Cette espèce a ainsi été décrite comme l’un des métazoaires les plus tolérants aux
températures élevées. A. pompejana est une espèce pionnière dans la colonisation de
nouvelles sources hydrothermales (Jollivet 1993, Desbruyères et al 1998). Cette espèce
présente des oocytes de 200 µm riche en vitellus. La fécondation des ovocytes est interne
et fait suite à un appariement des mâles et des femelles au cours duquel le sperme du mâle
est transféré à la femelle tête à tête. Les spermatozoïdes sont transférés dans une
spermathèque et fécondent les ovocytes matures au moment de leur émission dans la
colonne d’eau pour donner lieu à des larves lécithotrophes (Chevaldonné & Jollivet 1993,
Chevaldonné et al 1996, Jollivet 1996, Pradillon & Gaill 2003, Fig. 4.2). Le ralentissement
du développement embryonnaire en eau froide, détecté expérimentalement chez cette
espèce, retarderait la métamorphose des larves et pourrait ainsi, en augmentant la durée de
dispersion dans la colonne d’eau, permettre une dispersion sur de plus longues distances
(dépendant alors des courants profonds circulant à l’axe de la dorsale : Pradillon et al
2001).
112

Chapitre 4
Adultes gonochoriques 1
Sexe ratio équilibré 2 (matures
biaisé en faveur des mâles 3 )
Femelle
Oogenèse rapide
continue 3 Vitellogenèse lente 3
Mâle
Oogonies
prévitellogènes
Juvénile
Spermatogenèse
sperme
Oocytes avec vitellus
(~200 µm) 4
Recrutement
discontinu 3
Fécondation quasicontinue
3
Larves lécithotrophes
dans la colonne d’eau 4
Fig. 4.2 Cycle de vie d’A. pompejana.
La longueur des flèches n’est pas proportionnelle au temps.
1 Zal et al (1994), 2 Pradillon et al (2005), 3 Faure et al (2007), 4 Chevaldonné et al
(1996)
2.2. B. thermophilus
Les bivalves du genre Bathymodiolus constituent l’un des taxons les plus
cosmopolites et présentant la plus forte biomasse des sources hydrothermales (importantes
moulières recensées en de nombreux points du globe sur quasiment tous les sites
hydrothermaux connus exception faite de la dorsale Nord Pacifique (Desbruyère et al
2006b). Composés d’une vingtaine d’espèces (Won et al 2008), ce genre présente
également une forte diversité spécifique et est également distribué au niveau des zones de
113

Chapitre 4
suintements froids. Les espèces du genre Bathymodiolus apparaissent clairement
polyphylétiques et se trouvent mélangées à d’autres genres provenant d’habitats variés
(carcasses de baleine, suintements et bois coulés) : Gigantidas, Idas, Adipicola (Samadi et
al 2007, Lorion et al 2009). La branche évolutive dans laquelle se trouve B. thermophilus
est, quant à elle, composée uniquement d’espèces appartenant au genre Bathymodiolus et
pourrait être originaire d’un ancêtre commun ayant vécu dans les zones de suintements
froids du Golfe du Mexique (Faure 2008). Cette espèce peut être considérée comme une
espèce-architecte et abritent de nombreuses espèces de macrofaune de petite taille (e.g.
gastéropodes, polychètes). (Jollivet 1996).
Le cycle de vie des Bathymodiolus est présenté en figure 4.3. Les Bathymodiolus
sont généralement gonochoriques ou hermaphrodites protandres, (e.g. B. elongatus, Le
Pennec & Benniger 1997, B. azoricus Comtet et al 1999). La fécondation des gamètes
s’effectue dans la colonne d’eau pour former des œufs (50 µm) puis des larves
planctotrophes (Lutz et al 1980, Le Pennec 1988). Ces larves sont capables de remonter
dans la colonne d’eau jusqu’à atteindre les couches éclairées de l’océan (Arellano &
Young 2009), plus riches en nourriture. Il a été ainsi montrer que les larves pouvaient
passer environ 4 mois dans la colonne d’eau entre leur émission (prodissochonque I : 80
µm) et leur recrutement (prodissochonque II : 400 µm) (Dixon et al 2007). Le recrutement
a été suggéré discontinu chez B. azoricus par Comtet & Desbruyères (1998) mais continu
chez B. thermophilus par Van Dover et al (2001b). Par cette remontée verticale, les larves
pourront alors être soumises à des courants océaniques différents des courants profonds,
par leur vitesse, mais également leur direction (Thomson et al 1990, Cannon & Pashinski
1997). L’accès à la dispersion via ces courants moins profonds pourrait ainsi favoriser la
migration à travers une barrière physique et permettre un contact secondaire entre lignées
divergentes.
114

Chapitre 4
Adultes généralement
gonochoriques
ou
Hermaphrodisme protandre 1
Adulte
ou
mature
Juvénile
(~400 µm) 6
Gamétogenèse
Oogonies
Sperme
discontinue 1 Fécondation externe 2,3
Recrutement
Larves prodissochonque II
(400 µm) 4
Migration verticale dans
la colonne d’eau 5
Oocytes (50 µm) 2,3
Larves planctotrophe
(prodissochonque I : 80 µm) 4
Émission des larves
Fig. 4.3 Cycle de vie de B. thermophilus
La longueur des flèches n’est pas proportionnelle au temps.
1 Le Pennec & Beninger (1997), 2 Lutz et al (1980), 3 Le Pennec (1988), 4 Dixon et
al (2007), 5 Arellano & Young (2009), 6 Mullineaux et al (1998)
115

Chapitre 4
2.3. L. elevatus
La famille des Lepetodrilidae représente une des familles de gastéropodes
patelliformes les plus abondantes des sources hydrothermales profondes. Certaines espèces
ont également été décrites sur les bois coulés (Lepetodrilus elevatus McLean 22°N, EPR)
et carcasses de baleines (L. pustulosus McLean, Monterey Bay, 36°N, Johnson et al 2008).
De plus, cette famille compte également une forte diversité spécifique avec actuellement
plus de 20 espèces morphologiquement distinctes (Warén & Boucher 2001, Desbruyères et
al 2006b) dont la plupart appartiennent au genre Lepetodrilus. Venant s’ajouter à ce
décompte, de nombreux complexes d’espèces (e.g. complexe « fucensis » : 2 espèces,
Johnson et al 2006 ; complexe « elevatus » : 4 espèces, Matabos et al 2008b, Johnson et al
2008 ; complexe « schrolli » : 3 espèces, Johnson et al 2008) ont été mis en évidence au
sein de ce genre. Originaire du Mésozoïque (McLean 1988), les Lepetodrilidae, et plus
particulièrement le genre Lepetodrilus, ont donc connu depuis lors une véritable radiation
évolutive, suscitant un grand intérêt pour l’étude des processus de spéciation ayant conduit
à une telle diversification.
Les Lepetodrilus adultes se déplacent relativement lentement (< 0,1 cm/s, observation
personnelle sur boîte de pétri sur L. schrolli) et ont une activité plutôt grégaire et sédentaire
(empreintes des coquilles sur les tubes de vestimentifères dues au broutage des bactéries
sur le tube (cf. L. elevatus et L. pustulosus). Leur transport via la faune vagile (phorésie),
notamment par les crabes hydrothermaux (cf. Johnson et al 2008), constitue un vecteur de
dispersion efficace mais limité à l’échelle du champ hydrothermal (dispersion de proche en
proche souvent liée à la migration massive des crabes lors de l’extinction d’un site
d’activité : Jollivet 1993). Au contraire, l’aptitude des larves à entrer en dormance ou à
présenter d’importantes réserves vitellines leur permet de pallier au manque de nourriture
dans l’eau de fond oligotrophe et donc de disperser sur de longues distances (Jollivet et al
2000 ; Pradillon et al 2001 ; Metaxas et al 2004). Le cycle de vie de L. elevatus est présenté
en figure 4.4.
116

Chapitre 4
Adultes gonochoriques
Sexe ratio équilibrée 7
Femelle
Mâle
Gamétogenèse
continue 1
Oogonies
prévitellogènes
Juvénile
(~560 µm) 5
Recrutement
discontinu 6
Sperme
Vitellogenèse
continue 2
Oocytes avec vitellus
(max 90 µm,
moyenne 56 µm) 2
Fécondation
« interne » continue 3
Larves (~170 µm) dans la
plume hydrothermale 4, 5
Larves lécithotrophes
incubées dans la cavité
palléale des femelles 3
Libération des larves
Fig. 4.4 Cycle de vie de L. elevatus.
La longueur des flèches n’est pas proportionnelle au temps.
1 Kelly & Metaxas (2007), 2 Tyler et al (2008), 3 Fretter (1988), 4 Mullineaux et al
(1995), 5 Mullineaux et al (1996), 6 Mullineaux et al (1998), 7 Matabos et al (2008a).
Une espèce de Lepetodrilus donnée est généralement présente sur une seule dorsale ou
un segment de dorsale et un habitat particulier, pouvant suggérer une diversification liée à
des processus de vicariance. Néanmoins, certaines espèces présentent des aires de
distribution superposées (e.g. L. elevatus, L. pustulosus, L. ovalis, L. cristatus sur l’EPR)
au sein d’un segment de dorsale mais ayant un habitat clairement défini (tubes de
vestimentifères, cheminée, basaltes ou coquilles de bivales). Dans certains cas, les espèces
se répartissent différemment à l’échelle d’un site, selon leur preferendum thermique
(Bates et al 2005, Mills et al 2007) mais aussi potentiellement selon la composition
117

Chapitre 4
physico-chimique du fluide et/ou des relations interspécifiques entre compétiteurs proches
(Matabos et al 2008a). Ces différences de distribution liées à l’environnement local
pourraient ainsi favoriser la spéciation écologique (ou parapatrique).
3. Matériels et méthodes des espèces cibles
L’extraction d’ADN, l’amplification et le séquençage du gène mtCOI ont été réalisés
selon le protocole décrit dans Plouviez et al (2009). Les gènes nucléaires des différentes
espèces cibles ont été amplifiés selon les conditions décrites dans l’annexe 3. Le clonage
de ces gènes nucléaires a été réalisé par Marquage-Recapture de séquences (Bierne et al
2007 présenté en annexe 1 et chapitre 2) selon le même protocole de clonage pour A.
pompejana, B. thermophilus et L. elevatus. Généralement, deux clonages comprenant
chacun 8 individus ont été réalisés pour chaque population et 32 clones par clonage ont été
séquencés. Concernant B. thermophilus, les séquences des individus échantillonnés à
7°25’S et 21°33’S ont été réalisées par Dr Baptiste Faure sur un clonage unique par
population de 48 individus avec un effort de recapture de X1 (i.e. 96 clones séquencés par
clonage). Pour L. elevatus, le nombre d’individus clonés a été augmenté dans la zone de
contact (9°50’N), ainsi qu’à 21° 33’S (où une troisième espèce cryptique de L. elevatus a
été observée sur la base d’une divergence mitochondriale) : soient 32 individus à 9°50’N et
24 à 21°33’S. L’effort de capture, quel que soit le nombre d’individus, est de X2 (e.g. 32
séquences par clonage comprenant 8 individus). Les séquences ont ensuite été traitées
selon le protocole décrit dans la partie ‘Matériels et Méthodes’ du chapitre 2 afin
d’éliminer la recombinaison in vitro et de ne garder qu’un gène supposé unique et diploïde.
4. Analyses et résultats sur les espèces cibles
4.1. A.pompejana
4.1.1. Résumé des résultats
Malgré une microstructure génétique significative de type chaotique au sein d’un
champ hydrothermal donné (i.e. 13°N/EPR), des études allozymiques menées sur le
polychète hydrothermal A. pompejana au nord de l’EPR (de 21°N à 9°50’N) n’ont pas
118

Chapitre 4
permis de détecter de réelle structure géographique entre ces champs hydrothermaux
(Jollivet et al 1995, Jollivet 1996), suggérant de fortes capacités de dispersion chez cette
espèce ou l’action de processus sélectifs homogénéisant. Cependant, un modèle fluxpropagule
basé sur la biologie de cette espèce suggère que, si les larves migrent dans la
colonne d’eau durant 15 à 30 jours, la renverse périodique des courants de marée ne
permet pas une migration efficace inter-champs de celles-ci (Chevaldonné et al 1997),
impliquant une différenciation génétique des populations entre ces champs par simple
dérive. L’absence de structure génétique à l’échelle de l’EPR Nord pourrait alors
s’expliquer par
(1) un manque de résolution des marqueurs enzymatiques,
(2) une sélection balancée sur ces marqueurs maintenant une homogénéité des
fréquences allozymiques directement liée à la nature de l’habitat
hydrothermal, comme le proposent Piccino et al (2004) pour le locus
phosphoglucomutase (PGM), celui-ci présentant un allèle 90 thermorésistant
plus avantageux dans les populations nouvellement fondées ou les conditions
thermiques sont plus élevées mais en équi-fréquence avec l’allèle 100 dans les
populations plus « agées »,
(3) un déplacement de l’activité hydrothermale le long de l’axe (10 mètres par
année : Watremez et al 1990, Kervévan 1991) pouvant, de manière transitoire,
permettre la connectivité des champs hydrothermaux par rapprochement et
ainsi empêcher la différenciation génétique de s’établir dans le temps
(modélisé par Jollivet et al 1999).
Le séquençage du gène mtCOI sur des individus issus de populations réparties sur
l’ensemble de la dorsale EPR a permis de révéler la présence d’une barrière aux flux de
gènes à l’Equateur (Hurtado et al 2004, Plouviez et al 2009), donnant lieu à deux clades
divergents quasi-monophylétiquement réciproques entre les individus du Nord et du Sud
de l’EPR. Nous avons donc cherché à déterminer l’impact de cette barrière datée à 1,3 Ma
sur les lignées mitochondriales divergentes en utilisant à la fois les variations en fréquence
des marqueurs enzymatiques précédemment utilisés uniquement dans la partie Nord de
l’EPR et l’histoire évolutive des allèles (séquences) de trois gènes nucléaires (dont le gène
PGM pour lequel une sélection des formes 90 et 100 est suspectée).
119

Chapitre 4
Si les valeurs de différenciation génétique obtenues sur les marqueurs
allozymiques sont proches de celles obtenues à micro-échelle (au sein d’un champ
hydrothermal : 13°N/EPR), six de ces marqueurs permettent néanmoins de confirmer la
présence d’une barrière aux flux de gènes à l’Equateur.
D’une manière plus frappante, l’analyse des parentés alléliques par des approches de
coalescence (Fig. 4.5) montre de manière très claire l’existence d’une divergence entre les
lignées alléliques du gène de la PGM (réseau d’allèles révélant 4 clades divergents : deux
échantillonnés majoritairement au Nord et les deux autres échantillonnés majoritairement
au Sud) et, à une échelle moindre entre 2 lignées d’allèles du gène codant pour la
GlobineX (2 lignées d’allèles plus faiblement divergentes présentant des fréquences
alléliques différentes dans les deux régions géographiques). Pour ce dernier gène, ces
différences de fréquences se traduisent par une différenciation génétique significative entre
les populations de part et d’autre de cette barrière. À l’inverse, aucune divergence n’a été
mise en évidence dans la phylogénie d’allèles associée au gène S-Adenosyl Homocystéine
Hydrolase (SAHH) et aucune différenciation génétique Nord/Sud n’a été détectée sur la
base des fréquences alléliques observées.
120

Chapitre 4
0,0005 0,0005
PGM
0,001 0,001
0,001
GlobX
SAHH
Fig. 4.5 Arbres phylogénétiques réalisés selon la méthodes des plus proches voisins sur
les gènes nucléaires d’A. pompejana à partir des jeux de séquences de qualité 2 (2
allèles maximum par individu).
En bleu et rouge : séquences d’individus échantillonnées respectivement au Nord et au Sud
de l’EPR.
121

Chapitre 4
L’étude de la migration entre ces deux régions géographiques via le logiciel Migrate-n
(Beerli & Felsenstein 2001) a révélé l’existence d’une migration asymétrique à travers
l’Equateur, du Nord vers le Sud de la dorsale. Ce sens de migration pourrait expliquer la
différenciation génétique observée des champs hydrothermaux 7°25’S-14°S versus
17°25’S-21°33’S sur les allozymes, détectée via le logiciel Structure (mise en évidence de
3 groupes génétiquement différenciés : Prichard et al 2000), le groupe 2 composé
essentiellement d’individus de 7°25’S et 14°S pourrait indiqué que ces latitudes
correspondent à une zone de transition entre les populations du Nord de la dorsale
(majoritaire dans le groupe 1) et les populations du Sud de la dorsale (majoritaire dans le
groupe 3). L’existence de Fis significatifs au niveau des locus enzymatiques sur les sites
7°25S, 14°S et 17°25S renforce cette hypothèse de zone de contact secondaire. De plus,
une analyse RFLP/typage d’un indel basée sur les sites fixés des 4 lignées alléliques du
gène PGM ont permis de détecter des individus hybrides/introgressés majoritairement aux
sites 7°25’S à 14°S, indiquant que ces sites pourraient correspondre à une zone
d’hybridation entre les lignées mitochondriales.
L’utilisation d’un modèle d’ « Isolement avec Migration » de Hey & Nielsen (2007) a
révélé la présence d’une introgression asymétrique relativement faible entre les 2 lignées
mitochondriales de la lignée Sud vers la lignée Nord avec un temps de divergence moyen
estimé sur les gènes mtCOI et nucléaires qui concorde avec celui proposé par l’approche
multispécifique au gène mtCOI (1,3 Ma, Plouviez et al 2009, Fig. 4.6).
122

Chapitre 4
A
B
C
Fig. 4.6 Distributions des probabilités postérieures marginales du temps de
divergence entre lignées (A), de la taille efficace de la population ancestrale et de ces
populations filles, (B), et des taux de flux de gènes directionnels entre lignées (C),
estimées par un modèle d’Isolement avec Migration via IMa.
123

Chapitre 4
Enfin, les D de Tajima et les F* de Fi & Li, significatifs au Sud de la dorsale pour
l’ensemble des gènes, ainsi qu’une analyse visant à discriminer l’effet d’une expansion
démographique d’un balayage sélectif, ont permis de confirmer que l’accumulation non
neutre des mutations dans le polymorphisme de la lignée sud est bien due à une expansion
démographique telle que précédemment suggérée par Plouviez et al (2009). Cette dernière
analyse a également mis en évidence un balayage sélectif sur le gène SAHH, pouvant
expliquer l’absence de différenciation génétique entre les populations Nord et le Sud de
l’EPR lorsque l’on considère ce gène uniquement. Ce dernier résultat valide l’hypothèse du
passage facilité d’un allèle avantageux à travers une barrière physique à la dispersion
lorsque les espèces ont encore peu divergées : une situation assez similaire à celle trouvée
par Faure et al (2007) entre Mytilus edulis et M. galloprovincialis. Bien que n’étant pas
détecté comme tel par le logiciel Sweep_bott (Galtier et al 2000), la topologie du
coalescent du gène GlobX pourrait également être apparentée à un balayage sélectif plus
récent (et donc moins détectable) sur ce gène.
La comparaison des génotypes RFLP des 4 allèles du gène PGM avec les génotypes
allozymiques a permis de corréler les clades 3 et 4 aux allèles 90 et 100 trouvés au Sud de
l’EPR et ainsi de montrer qu’une mutation Q/E non-synonyme engendrant une différence
de charge nette entre les protéines sur l’exon 4 expliquait la différence de mobilité
électrophorétique observée entre les allèles 90 et 100 au Sud. Cependant, cette corrélation
n’étant pas trouvée au Nord, il semble que l’allélisme 90/100 observé dans les populations
nord soit associé à une mutation affectant un autre site exonique du gène. Cette homoplasie
de charge souligne ainsi une limite des locus enzymatiques dans la détection de structure
génétique et l’intérêt de coupler ces marqueurs à d’autres types de marqueurs, en
particulier basés sur le polymorphisme de séquences. L’approche multilocus effectuée a
ainsi permis d’apporter du crédit aux hypothèses d’un effet vicariant allopatrique et d’une
expansion démographique dans la lignée Sud proposées par l’approche multispécifique au
gène mtCOI, mais également de révéler le caractère semi-perméable, au moins
transitoirement, de cette barrière à l’Equateur pour A. pompejana, malgré la monophylie
réciproque observée sur le mtCOI.
124

Chapitre 4
4.1.2. Article en préparation
Across the equatorial East Pacific Rise barrier: do mitochondrial lineages of the
dwelling polychaete Alvinella pompejana represent true ongoing allopatric species?
Plouviez S. 1,2 , Le Guen D. 1,2 , Lecompte, O. 3 , Lallier F.H. 1,2 , Jollivet D. 1,2
1 Université Pierre et Marie Curie-Paris 6, Laboratoire Adaptation et Diversité en Milieu
Marin, Roscoff, France
2 CNRS, UMR 7144 Station Biologique de Roscoff, BP 74, Place Georges Teissier, 29682,
Roscoff, France
3 IGBMC, Laboratoire de Bioinformatique et de Génomique Intégratives, Parc de
l’Innovation, Campus Illkirsh, Strasbourg, France
Key words: migration, geographic barrier, selective sweep, balancing selection, subdivided
populations, demographic expansion
125

Chapitre 4
Abstract
Relaxation of the strength of a barrier to gene flow can lead to secondary contact zone
between previously isolated populations. Providing that isolation was not too long to avoid
reproductive isolation between genetically divergent lineages, hybridization and
subsequent allele introgression can then occur between these lineages. Spread of alleles
across the barrier would thus mainly depend on selection against hybrids, which can affect
genes differentially according to their linkage to isolation genes or the strength of natural
selection: genes under selective sweep or balancing selection would tend to cross the
barrier more rapidly than neutral ones whereas genes under strong bidirectional selection
would take longer time to cross the barrier. Previous studies in the deep-sea hydrothermal
vent polychaete Alvinella pompejana showed the occurrence of a clear barrier to gene flow
at the Equator along the East Pacific Rise (EPR) for the mitochondrial Cytochrome
Oxidase I gene (mtCOI). In the present study, allozymes and two nuclear loci confirmed
this strong North/South differentiation of populations along the EPR. In addition, a North
to South migration of propagules leading to a South to North allele introgression pattern
between the two main divergent mtCOI lineages was detected and allowed us to identify
genes under various strength of selection. The spread of alleles and associated levels of
introgression on a gene previously hypothesized to be under balancing selection
(phosphoglucomutase) was also investigated. The multilocus analysis also confirmed the
demographic expansion in the South previously suggested by a multispecies
phylogeographic approach.
126

Chapitre 4
Introduction
Dispersal is one of the major evolutionary forces that counter-balances the
geographical structuring of populations when looking at the species range. Many
population models have been proposed to describe how species disperse between
geographically separated localities from the n-island model (Wright 1931, 1937) to the
stepping-stone (Kimura 1953) or the isolation-by-distance (Wright 1943, Malécot 1950)
models. These models were then adapted into a metapopulation context to integrate
population dynamics through time (i.e. local extinction and recolonisation rates, reviewed
in Harrison & Hastings 1996). Under a ‘migrant’ metapopulation model (Slatkin 1977,
colonisation of a new patch comes from migrants originated from the whole
metapopulation), local populations tend to be genetically homogenised over the whole
metapopulation, providing that the number of colonists is twice greater as ‘true’ migrants.
However, under ‘propagule’ metapopulation model (Slatkin 1977, colonisation of a new
patch comes from migrants of neighbouring sites), local extinction always increases
genetic differentiation between demes even for high levels of gene flow (see Whitlock &
McCauley 1990, Pannel & Charlesworth 2000). The relationship between genetic
differentiation and the migration rate is however seriously affected by the raise of a
physical barrier to dispersal. Whatever the model used, the setting up of a physical barrier
to dispersal over a long period of time abruptly reduces or stops gene flow between the
isolated sites and leads to a rapid change in allele frequencies between each part of the
isolation point. Such a genetic differentiation is often associated with the fixation of
mutations (divergence) between two sets of alleles (clades) leading to reciprocal allele
monophylies for most genes under scrutiny providing that no lineage extinction or
population admixture occurs secondarily (Cunningham & Collins 1998). In case of
secondary contact, a genetic barrier may be superimposed onto this dispersal break
possibly leading to a clinal distribution of alleles whose shape mainly depends on the
strength of the selection against hybrids (Barton & Hewitt 1985).
Moreover, allele exchanges across a barrier may be dampered or accelerated depending
on how selective forces affected genes evolution. First, advantageous alleles that have
swept on one side of the barrier (unidirectional positive selection) are likely to cross this
barrier faster than non-advantageous ones to invade the entire population, also dragging
along a series of linked neutral mutations by genetic hitchhiking (selective sweep, Faure et
127

Chapitre 4
al 2008). In a similar way, balancing selection favours introgression for alleles associated
with balanced polymorphisms in recently diverged species for which genetic isolation is
incomplete (Castric et al 2008). The expected consequence of positive selection acting on a
gene, either under directional or balanced forces is therefore a decrease of genetic
differentiation in structured populations when compared to neutral genes simply because
effective migration rates of advantageous alleles are favoured (Muirhead, 2001, Glémin et
al 2005). While unidirectional positive selection (selective sweep) tends to reduce genetic
diversities, balancing selection promotes the allele diversification (Glémin et al 2005,
Castric & Vekemans 2007, Castric et al 2008). As previously stated by Boon et al (2009),
adaptive introgression or balanced polymorphisms can be detected from introgressed
genomes when looking at a semi-permeable barrier if the time of isolation has been longer
enough. Second, bidirectional (disruptive) selection (i.e. positive selection affects alleles
differently on each part of the barrier) is known to reinforce genetic isolation in allopatry
(see Templeton 1981) and often lead to the rapid fixation of gametic incompatibilities.
When the barrier to gene flow becomes more permeable, allowing secondary contacts
between previously isolated demes, the range of the hybrid zone will mainly depend on the
strength of selection against putative hybrids (i.e. the number of gametic incompatibilities
between the two genomes). Such an evolutionary process will therefore have to slow down
allele migrations around the barrier leading to either mosaic hybrid zones if dispersal is
high or an abrupt tension zone if dispersal is restricted (See Bierne et al 2003).
Consequently, because of differing evolution rates and selective impacts on genes,
the use of both mitochondrial (four times smaller effective population size (Birky et al
1983, 1989), and a higher evolutionary rate when compared to nuclear genes leading to the
rapid fixation of mutations in the divergence (Neigel & Avise 1993, Irwin 2002)) and
nuclear genes (allowing the access to hybridization process) is of great interest to better
understand gene histories and to assess more accurately the strength of such barriers on
population structure (e.g. Godinho et al 2008, Burton & Lee 1994, Faure et al 2009).
Deep-sea hydrothermal vents represent a patchy distributed habitat following a onedimensional
stepping-stone model associated with over 60 000 kilometres of globeencircling
ridge crests (Schlager 2008). Because of their closely dependence to ‘hot’
sulphidic fluids from vents chimneys, deep-sea hydrothermal vent species displayed an
island-like repartition along ridges and raised questions about their inter-site dispersal and
the putative occurrence of physical barriers to dispersal (Vrijenhoek et al 1997,
128

Chapitre 4
Chevaldonné et al 1997). According to the Kimura & Weiss (1964)’s one-dimensional
stepping-stone model, hydrothermal vent species were thus hypothesised to disperse
primarily in their neighbourhood (Lutz 1988) and expected to follow an isolation-bydistance
model of dispersal (Vrijenhoek et al 1997). However, in most cases, allozyme
studies failed to detect isolation-by-distance across populations of hydrothermal vent
species (e.g. Black et al 1994; Craddock et al 1995), suggesting that extensive gene flow
better fit an n-island model (Wright 1931).
Amongst vent species, the deep-sea hydrothermal vent polychaete Alvinella
pompejana, which lives on the top of vent chimneys of the East Pacific Rise (EPR) also
exhibited a lack of clear allozyme structure from latitudes 9°50N to 21°N despite a chaotic
microgeographical structure at the field scale (i.e. tens of kilometres) (Jollivet et al 1995).
These results indicated that larval dispersal is allowing high levels of gene exchanges
providing that no physical barrier to gene flow disrupts the ridge system (Jollivet 1996).
This fits well previous results of Pradillon et al (2001) who experimentally reported that A.
pompejana embryos are able to stop their development in cold water masses and thus to
delay their metamorphosis while dispersing out of vents. However, a propagule-flux model
based on Alvinella’s biology indicated that effective migration rate cannot be maintained
across vent fields if larvae travel more than 15-30 days in the water column driven by the
bottom currents prevailing on to the rift axis (Chevaldonné et al 1997). Consequently,
according to the present ridge hydrodynamism, A. pompejana was still believed to disperse
in the stepwise manner. To explain this absence of isolation-by-distance at the scale of the
North EPR, three hypotheses have been proposed: (1) the lack of power of allozymes to
detect genetic differentiation between populations, (2) the maintenance of equal allozyme
frequencies by balancing selection due to the great homogeneity of the vent conditions
along the whole ridge system. or (3) the maintenance of gene exchanges within a large
metapopulation by the displacement of habitat patches over geological times (Jollivet
1996). The second hypothesis was exemplified by Piccino et al (2004) who reported a case
of balancing selection on the phosphoglucomutase (PGM) with allele 90 being more
thermostable and more frequent in newly founded populations of the worm but balanced at
the metapopulation scale. The latest hypothesis was also tested by modelling the
hydrothermal vent activity movements along the ridge and its subsequent effect
(extinction/recolonisations) on the genetic structure of the worm over thousands of
generations (Jollivet et al 1999). Simulations showed that bursts of colonisation events
following site movements and population reconnections were sufficient enough to prevent
129

Chapitre 4
population isolation and thus genetic differentiation between distant sites, providing that
worms are not able to disperse very far to re-colonise nearby sites. The model predictions
were however based on to the fact that habitat displacements can cross physical barriers
such as transform faults.
Recently, a genetic divergence of nearly 1% was observed on the mitochondrial
COI gene between the Northern and Southern EPR populations of A. pompejana (Hurtado
et al 2004, Plouviez et al 2009), suggesting the occurrence of an impermeable equatorial
barrier to gene flow. Furthermore, Plouviez et al (2009) demonstrated that this barrier
affected most of the EPR vent fauna 1 to 2 Mya, giving credence to the role of transform
faults in provoking vicariant events between vent communities and allopatric speciation. In
the present study, an extended analysis of allozyme and mtCOI haplotype distributions
over the geographic range of the species, including the Southern EPR, was performed to
better address the ability of allozymes to detect genetic differentiation and to discriminate
between the three main hypotheses that have been proposed to explain the lack of
differentiation between alvinellid populations in the North. Three additional nuclear genes,
including the PGM gene, were used to evaluate the strength of this equatorial barrier to
gene flow and to test for potential secondary contacts. Analyses also attempted to quantify
migration and/or introgression rates between the previously isolated mt lineages in order to
disentangle the effect of both selective and demographic processes in the raise of the
genetic break.
130

Chapitre 4
Materials and Methods
Collection
Alvinella pompejana polychaetes were collected with the manned submersible Nautile
during three oceanographic cruises in 1999 (HOPE), and 2002 (PHARE) on sites of the
northern EPR and in 2004 (BIOSPEEDO) on sites along the southern EPR from the
latitudes 7°25S to 21°33S. Once aboard the ship (the N/O L’Atalante), samples were
measured at the 4h setigerous segment, sexed and cut in two parts: the cephalic part was
frozen immediately at -80°C to perform allozymes and the body was preserved in 95%
ethanol for DNA analyses.
Allozyme genotyping
Allozymes encoded by nine enzyme systems were examined from seven hydrothermal vent
field samples (Table 4.1), following the protocols of Pasteur et al (1987). Proteins from
each frozen gill tissue were extracted according to the Piccino et al (2004)’s method.
Enzyme electrophoreses were conducted on 12% starch gel using three different buffer
systems: (1) Tris-Citrate pH 8.0 (TC 8.0) for Phosphoglucomutase (Pgm, E.C. 5.4.2.2),
Mannose phosphate isomerase (Mpi, E.C. 5.3.1.8), 6-phosphogluconate dehydrogenase
(6Pgd, E.C. 1.1.1.44) and Glucose phosphate isomerase (Gpi, E.C. 5.3.1.9); (2) Tris-HCl
pH 8.5/8.2 (THCl 8.5) for Triose phosphate isomerase (Tpi, E.C. 5.3.1.1), Leucine amino
peptidase (Lap, 3.4.11.1) and Hexokinase-1 (Hk, 2.7.1.1); and (3) Tris-Citrate pH 6.7/6.3
(TC 6.7) for acid phosphatase (Acp, E.C. 3.1.3.2) and Isocitrate dehydrogenase (Idh, E.C.
1.1.1.42).
131

Chapitre 4
Table 4.1 Location, and sample sizes used in allozymes (n allo ), and mtCOI (n mtCOI ),
and nuclear genes.
n GlobX , n SAHH , n PGM : number of recaptured sequences for each nuclear gene using a
maximum of two consensus sequences (alleles) per individual with, in bold: number of
recaptured individuals, n RFLP : number of genotyped individuals in RFLP of PGM
Vent field Geographic position Depth (m) n allo n mtCOI n GlobX n SAHH n PGM n RFLP
13°N 12°43-50’N 2560-2700 40 67 19 17 20 74
103°53-57’W
10 11 12
9°50N 9°31-51’N 2500-2585 0 10 7 20 8 0
104°15-18’W
4 15 6
7°25S 7°25’S 2735-2752 17 14 14 13 15 12
107°47-49W
9 8 11
14°S 13°59’S 2623-2632 15 20 16 16 15 16
112°29’W
9 14 11
17°25’S 17°25’S 2578-2590 34 30 16 16 11 15
113°12’W
10 9 8
17°34’S 17°35-36’S 2591-2597 19 36 12 15 12 17
113°15’W
18 10 10
18°25S 18°26-37’S 2636-2680 52 29 17 17 14 14
113°23-24’W
11 14 10
21°25’S 21°25’S 2804-2831 12 30 16 16 13 22
114°16-17’W
12 11 10
21°33’S 21°33’S
114°16-18’W
2771-2846 23 25 14
10
20
14
17
13
11
DNA sequencing
Genomic DNA was extracted using a CTAB extraction procedure. Tissues were
digested in 600 µl of a 2% CTAB buffer solution (1.4 M NaCl, 0.2% 2-mercaptoethanol,
20 mM EDTA, 100 mM Tris-HCl pH 8, 0.1 mg.ml -1 proteinase K) during two hours at
60°C. DNA was then purified by adding Chloroform-Isoamyl alcohol (24:1) and
precipitated together with 1 ml of 100 ml of 100% isopropanol at -20°C for two hours.
Finally, DNA pellets were washed with 70% ethanol and re-suspended in 50 µl sterile H 2 0.
A. pompejana sequences of the mitochondrial Cytochrome c Oxidase subunit I (mtCOI)
were obtained from Plouviez et al (2009) and the sequences of the outgroup A. caudata
using the ‘universal’ LCOI and HCOI (Folmer et al 1994) primers following PCR
conditions described by these authors. Specific primers (Table 4.2) were designed for
DNA amplification of partial exon-intron fragment of three nuclear genes, coming from
132

Chapitre 4
the sequencing of the transcriptome of the southern mtCOI lineage of A. pompejana for the
S-adenosylhomocysteine hydrolase (SAHH) and globin (GlobX) genes (Gagnière et al
submitted), and from the overall phosphoglucomutase gene of A. pompejana previously
obtained using a degenerated primers approach (D. Jollivet, unpublished data). This latter
approach allowed us to target Pgm-exon4 where a non-synonymous change was found.
Size of the DNA fragment and its exon-intron structure are given in Fig. 4.7.
Table 4.2 Primers designed for Alvinella pompejana amplification of mtCOI, GlobX,
SAHH, and PGM genes and for the screening of indel polymorphism of the PGM
exon 4 gene.
----: corresponds to the nucleotide ‘-bp tag’ of primers for the Mark-Recapture sequence
method.
Gene Primer sequences (5’-3’) T a (°C)
mtCOI
F: TATTTGGTATTTGGGCAGGTC
57
R: GATGGGTCGAAGAATGATGTG
GlobX
F: ----AGTTGACTGAAGAACGCAGAGAAGCGGT 55
R: ----CGCGAAGATCCTTGAAGTACTCTTGGTA
SAHH
F: ----CTTGTCAACCTCGGCTGTG
57
R: ----CTGCCTGCTCGTCTGTTAG
PGM
F: ----CCCAGGTGGTCCAAATGC
57
R: ----GTACAGATGTCAGCCTTCAGGTC
Indel polymorphism F, F*: GCCATGTTTTTAATTGATTCTGTC
58
in PGM exon4 R: TCACTACAAAATGAGCTGATGTGC
F, forward primer; F*, forward labelled primer IRD700; R, reverse primer; T a , annealing
temperature
133

Chapitre 4
Fig. 4.7 Comparison of size and exon-intron structure of the four sequenced
genes
Polymerase chain reactions (PCR) and cloning of these gene fragments were performed
using the Mark-Recapture (MR) method developed by Bierne et al (2007) with 4-
nucleotides tail added at the end of each 5’-primers. Each individual was amplified by PCR
separately with a different combination of 5’ tailed primers. PCR were conducted in a 25-
µl solution that included 1X buffer (supplied by manufacturer), 2 mM MgCl 2 , 0.05 mM
(0.25 mM for PGM) of each dNTPs, 0.48 µM (0.4 µM for PGM) of each primers (Table
4.1), 0.5 U of Taq polymerase (Thermoprime plus), 5 µl of template DNA and sterile H 2 O.
Thermal cycling parameters used an initial denaturation at 94°C for 3 min, followed by 40
cycles at 94°C for 30s, T a for 20s and 72°C for 2min30s, before a final 10 min extension at
72°C. Because of the MR protocol, eight PCR-products were mixed together per cloning
with two clonings per vent locality (16 individuals per sampled site). PCR-products were
isostochiometrically mixed together, purified using QIAQuick TM columns and ligated into
a pGEM-T vector (pGEM-T cloning kit, Promega, Madison, WI, USA). For each cloning,
32 positive clones were sequenced both strands at the Genoscope (Evry) with universal
primers of the plasmid (SP6 and T7), leading to a total number of around 3500 nuclear
sequences. Sequences from all genes were proofread using CodonCode Aligner 2.0.6
134

Chapitre 4
(http://www.codoncode.com/aligner/). Sequence alignments were initially performed with
ClustalW (Thompson et al 1994) in BioEdit version 6.0.6 (Hall, 1999) and subsequently
improved manually. For nuclear genes, in vitro recombinants between individuals from the
same cloning set were easily detected thanks to their abnormal combination of 5’-tails and
removed from the dataset. Multiple recaptures also allowed us to discard intra-individual in
vitro recombinants (PCR recombination of heterozygous alleles) and artefactual/somatic
mutations.
Detecting a putative barrier to gene flow
Linkage disequilibrium between allozymes was examined for each locality and over
the all dataset using Genetix version 4.05.2 to detect redundant information. For each
locality, allele frequencies were then calculated for each locus and departure from Hardy-
Weinberg equilibrium was estimated using the Weir & Cockerham (1984) f estimator and
tested by 1000 permutations. To detect putative barrier to gene flow, genetic differentiation
was estimated along the EPR from a multiloci Fst as calculated by the Weir &
Cockerham’s θ (1984), adding populations one by one from the most southern locality
21°33’S to 13°N. At each step, the F index was tested by 1000 permutations of the dataset.
Isolation-by-distance was tested along the whole EPR using a Mantel Z test (Mantel 1967)
with 5000 permutations. Because previous studies (Hurtado et al 2004; Plouviez et al
2009) detected a barrier to gene flow across the Equator for the mtCOI marker, this test
was also performed without using the 13°N population. To better understand the
population structure, the number of genetically-differentiated groups (k) was evaluated
using individual assignments to these a priori groups based on their multiloci genotype
from an admixture model with a 150 000 burnin length period following by 50 000 MCMC
repetitions. The most appropriate number was obtained by testing k values from 1 to 15
thanks to Structure version 2.2. (Pritchard et al 2000). Convergence of the Markov chain
simulations was checked toward the true stationary distribution by monitoring ten
iterations.
For all statistical analyses based on recaptured sequences, one consensus allele was
randomly selected per individual to avoid the putative bias due to the cloning method.
Allele diversity Hd, nucleotide diversity π N , and theta of Watterson θ W were estimated
from inside the northern and southern EPR separately with DNAsp 4.10.3 (Rozas et al
135

Chapitre 4
2003). For each gene, allele networks were constructed using Network 4.5.1.0
(www.fluxus-engineering.com: Bandelt et al 1999) to search for divergence across the
barrier to gene flow (all recaptured alleles were used). Genetic differentiation indexes φ st
were computed via Arlequin 3.1 (using nucleotide sites: Excoffier et al 2005) by grouping
populations from each part of the equator and departures from zero (no differentiation)
were tested by a 1000-permutation test.
Because most coalescent-based softwares impose strong assumptions about the
absence of recombination, recombinants were detected by the Hudson & Kaplan (1985)’s
four-gamete test, using DNAsp 4.10.3, and discarded from the dataset for the following
analyses: Migrate_n, IM/IMa and Sweep_bott.
Detection of gene flow between South and North EPR across the equator
Migration routes across the equator were examined via Migrate 3.0.3 (Beerli &
Felsenstein 2001) by looking at the two geographically differentiated groups of sites
(northern and southern parts of the geographical barrier). Unfortunately, because of the
random sampling of alleles within each gene associated with the MR method, very few
individuals (3.5 on average per population) displayed alleles in all genes. Migration rates
and thetas were thus estimated by MCMC method for each gene, separately. Watterson’s
theta (θ w ) were used as a starting parameter in Migrate 3.0.3 to estimate the gene flow
parameters (θ*M) with MCMC runs of 10 short (500 steps, 10 000 sampled genealogies),
three long chains (5 000 steps, 100 000 sampled genealogies) and swapping procedure
among 4 heated chains.
Detection of gene flow between the two mitochondrial clades of A. pompejana using an
Isolation with Migration model
Population sizes, migration rate and time since population splitting were estimated
using the Isolation with Migration model (IMa software, Hey & Nielsen 2007). This model
allowed us to calculate posterior density probabilities of these parameters assuming that
migration could still occur after the splitting event of an ancestral population into two
descendant ones. To check convergence of the Markov Chain Monte Carlo (MCMC)
toward the true stationary distribution, multiple runs were performed using different
starting points and autocorrelation between parameter values was assessed over the course
136

Chapitre 4
of the runs. A swapping procedure was also used to enhance the mixing of chains using a
geometric heating scheme with 6 Metropolis chains. Inheritance scalar was assigned to 1
for nuclear genes (autosomal) and 0.25 for mtCOI to adjust for their expected population
sizes. The Hasegawa-Kishino-Yano model (Hasegawa et al 1985) was chosen to allow for
multiple substitutions at the same site.
To better estimate the date since the splitting event, IMa parameters of divergence
between populations (t IMa ) have been converted in years. Because mutation rate has not
been previously estimated for alvinellid polychaetes, with the exception of the mtCOI gene
(Chevaldonné et al 2002) which is known to display a higher mutation rate when compared
with nuclear genes, a geometric mean has been derived from COI and PGM and SAHH for
which a mutation rate was previously obtained from the hydrothermal vent gastropod
Lepetodrilus fucensis (Johnson et al 2006) and the hydrothermal vent mussels
Bathymodiolus thermophilus (Faure et al 2009) respectively. The GlobX gene was not
taken into account since there is no information on its evolutionary rate so far. Before
calculating the geometric mean, an average mutation rate was assessed per locus per
generation accounting for different lengths of the 3 genes (COI 507 bp, PGM 940 bp,
SAHH 531 bp) assuming one generation per year. The geometrical mean U = 0.64 × 10 -6 ,
close to the value previously found using 8 genes (mtCOI and 7 nuclear genes, U = 0.63 ×
10 -6 ) on B. thermophilus (Faure et al 2009), was then used to recalibrate the divergence
time from IMa to time in years (T = t IMa / U).
Detecting putative hybrids between the North and the South EPR using the PGM gene
Because a substantial divergence has been observed between the northern and
southern EPR clades on the nuclear PGM gene, fixed mutations were used to detect and
locate ‘hybrids’ between these two geographical regions (heterozygous individuals with
one allele from Northern clade and one allele from the Southern clade or individuals
sampled in a geographic region with alleles typical of the clade of the other region). A
restriction fragment length polymorphism (RFLP) analysis together with an indel
genotyping was performed on the polychaete collection to access a composite PGM
genotype of each worm. Among the 4 clades observed, clade 3 displayed two restriction
sites for the Rsa1 enzyme instead of one for the three remaining clades. Clade 4 displayed
two restrictions sites for Ssp1 instead of three sites for the three remaining clades. Clades 1
and 2 were different from each other by several fixed substitutions for which no restriction
137

Chapitre 4
site was observed and the presence of a nine bp indel. RsaI and Ssp1 RFLP were thus
performed on PGM PCR-products following protocols of the manufacturers, and the
presence/absence of the indel was genotyped using new nested primers defined from each
part of this indel. Individuals were amplified in 15-µl solution that included 1x buffer
(supplied by manufacturer), 1.25 mM MgCl 2 , 0.2 mM each dNTPs, 0.1 µM of fluorescent
labelled (IRD700) forward primer, 0.27 µM of unlabelled forward primer, 0.33 µM of
unlabelled reverse primer (Table 4.1), 0.5 U of Taq polymerase (Thermoprime plus), 4 µl
of template DNA and sterile H 2 O. Thermal cycling parameters used an initial denaturation
at 94°C for 2 min, followed by 30 cycles at 94°C for 30s, annealing temperature (T a , Table
4.1) for 30s and 72°C for 25s, before a final 10 min extension at 72°C. PCR products were
then electrophoresed on a denaturing acrylamide 41 cm gel in a Li-Cor NEN Global IR2
DNA analyzer.
1
Detecting demographic and/or selective events from coalescence trees
Because topologies of coalescent can help to perceive demographic and/or selective
events, Neighbour Joining trees (distances obtained by the maximum composite
likelihood) were performed using Mega 4.0.2 (Tamura et al 2007), separately on North and
South mt clades and rooted with an A. caudata sequence for non-ambiguously well-aligned
portions of each gene. Departure from the neutral hypothesis was assessed by estimating
Tajima (D) and Fu & Li (F*) indexes in each clade to test for putative demographic and/or
selective events. A multi-locus Hudson-Kreitman-Aguadé test (HKA, 1987) was computed
for each A. pompejana lineages with one sequence of A. caudata as outgroup using the
software HKA (J. Hey’s web page:
http://lifesci.rutgers.edu/∼heylab/HeylabSoftware.htm#HKA). This test compares
divergence and polymorphism at several loci to detect if some of these loci display
departure to neutral evolution. McDonald Kreitman tests (MK) were then performed
between these two species to test for possible selection in the divergence 1 . Discrimination
between bottleneck versus selective sweep was tested from a series of 4 genes (including
mtCOI) both in Northern and Southern mt clades, after excluding introgressed alleles,
using sweep_bott (Galtier et al 2000) by 100 000 first step iterations, 1 000 000 second
iterations and 20 optimizations processes with a theta range from 1 to 30. This test is
1 Le code génétique mitochondrial de Drosophila a été utilisé pour le mtCOI : cf annexe 4
138

Chapitre 4
comparing 3 distinct coalescent models (including the neutral one) and estimates whether
the strength and the time since bottleneck are sufficiently close one to each other across
genes to cope with a real bottleneck.
139

Chapitre 4
Results
Equatorial barrier to gene flow
Linkage disequilibria have not been found significant for all loci pairs over all
populations (p > 0.05 for the Garnier-Géré & Dillman (1992) test), indicating that locus
provided independent information. The number of alleles ranged from 3 (GPI, IDH, ACP,
LAP, HK) to 5 (PGM, TPI, see: Supplementary material). However, most loci displayed
only 1 to 3 non-rare alleles (frequency > 5% in the total population), which were shared
between populations. In contrast, rare alleles were often private (Supplementary material).
Alleles displayed a frequency inversion only for PGM and TPI loci between 13°N and
7°25S (Fig. 4.8). The allele PGM 100 was more frequent at 13°N than in southern EPR
populations where allele 90 predominates. A similar situation was depicted at the TPI
locus for which allele 110 predominates at 13°N whereas it was allele 100 in the southern
populations. Significant heterozygote deficiencies (Fis > 0, see Supplementary material)
were not linked to a particular locus and not systematically found at a locality. However, a
more accurate examination of the Fis distribution between loci that yield two-to three
equifrequent alleles indicated that the highest values were mostly found at 14°S and
17°25S.
140

Chapitre 4
Fig. 4.8 Allozyme frequency clines along the East Pacific Rise for the PGM, MPI,
TPI, HK and 6PGD loci.
The multilocus estimate of Weir & Cockerham’s θ (1984) overall populations was
significantly different from 0 (θ = 0.134, p < 0.05, 1000 permutations). This index of
fixation estimated overall loci by adding populations one by one from 21°33’S to 13°N
became significant only when adding the 13°N population (θ = 0.091, p < 0.05). Even if a
trend of isolation-by-distance exists (see: Fig 4.9), the correlation between the genetic
distance θ(1-θ) and the geographic distance was not significant (Mantel Z test: p = 0.21;
1000 permutations) at the scale of the whole EPR and not even more by removing 13°N
from the dataset (p = 0.20).
141

Chapitre 4
p = 0.21
R 2 = 0.74
Fig. 4.9 Distribution of genetic differentiation according to distance.
P-value corresponds in the Mantel Z test result and R 2 to the correlation coefficient in the
overall EPR. Black squares: 17°25’S to 21°33’S. Black squarse + white circles: Southern
EPR. All symbols: the overall EPR.
142

Chapitre 4
Partitioning genetic structure into groups using the Bayesian clustering method of
the Structure 2.2 software (Pritchard et al 2000) that uses multiloci genotype assignments
displayed 3 genetically different groups, found at different proportions within each vent
field. Individuals from the 13°N vent field mainly accounted for the first group whereas
7°25’S-14°S individuals were mostly found in the second group and 17°25’S to 21°S
individuals in the third group. Because the group of 7°25’S-14°S may represent a transition
zone between the Northern and Southern EPR, isolation-by-distance was also tested on a
more restricted area (17°25’S-21°S) without success (Mantel test p = 0.64, see: Fig. 4.9).
Sequence polymorphisms of 3 nuclear genes (SAHH, GlobX and PGM) and the
mitochondrial gene COI were analysed from each part of the Equator. The summary
statistics Hd, π N and θ W are presented in Table 4.3.
Table 4.3 Gene diversity of Alvinella pompejana.
n, number of sequences; Hd, Haplotype diversity, π n nucleotide diversity; θ w , Watterson’s
theta per site from the number of segregating sites, D, Tajima’s D index; F*, Fu et Li
index; SD, standard deviation; for D, NS :P > 0.10
Gene Locality n Hd (SD) π N (SD) θ W (SD) D F*
mtCOI
Clade North 108 0.911 (0.014) 0.009 (0.000) 0.014 (0.004) -0.983 NS -2.164 NS
GlobX
SAHH
PGM
Clade South 210 0.618 (0.040) 0.002 (0.000) 0.015 (0.004) -2.564 *** -4.330 **
North 14 0.890 (0.060) 0.003 (0.000) 0.0034 (0.0017) -0.872 NS -1.504 NS
South 73 0.860 (0.031) 0.0054 (0.001) 0.012 (0.004) -1.721 + -4.107 **
North 26 0.471 (0.119) 0.002 (0.001) 0.004 (0.002) -1.989 * -2.7696 *
South 80 0.604 (0.064) 0.0031 (0.001) 0.011 (0.003) -2.202 ** -4.484 **
Clades North 18 0.921 (0.030) 0.0056 (0.001) 0.007 (0.003) -0.693 NS -1.437 NS
Clades South 74 0.725 (0.055) 0.0042 (0.001) 0.009 (0.003) -1.836 * -3.950 **
143

Chapitre 4
As previously shown in Plouviez et al (2009), networks of mtCOI displayed two
monophyletic reciprocal 1%-divergent clades in the Northern and Southern EPR,
respectively (Fig. 4.10). Similarly, PGM gene showed two sets of two divergent clades that
were geographically structured (average North/South divergence = 0.76%): clades 1 and 2
were mainly found in the northern EPR whereas clades 3 and 4 were distributed in the
southern EPR (Fig. 4.10). Populations from the Northern and Southern EPR thus showed
φ st values significantly different from zero at this locus (φ st = 0.18, p = 0), indicating the
occurrence of a significant genetic differentiation between these regions. On the contrary,
the SAHH and GlobX genes provided a lack of geographically-structured coalescents
without any real divergence between the North and South parts of the EPR. If populations
appeared to be genetically homogeneous across the equator at the SAHH locus (φ st = 0, p >
0.05), these populations were found genetically differentiated between these two regions at
the GlobX locus with significant φ st value (= 0.04, p < 0.05).
144

Chapitre 4
COI
PGM
2
Ac
1
3
4
SAHH
GlobX
Ac
Fig. 4.10 Neighbour Joining networks of the mtCOI and nuclear genes. Blue and red
labels represent individuals sampled in Northern and Southern EPR, respectively.
145

Chapitre 4
Migration across the equator
When estimating migration across the equatorial barrier from the two groups of
geographically-pooled populations using the software Migrate_n 3.0.3 (Beerly &
Felsenstein 1999), migration was clearly asymmetric from very low (PGM) to high levels
of gene flow (SAHH) from North to South for all nuclear genes whereas a low (one
southern haplotype sampled in the northern region) but significant migration was observed
for the mitochondrial gene in the opposite direction (Table 4.4). However, migration rates
obtained for both the mtCOI and PGM were close to zero indicating that the barrier is
nearly impermeable for these two genes.
Table 4.4 Migration rates across the equatorial barrier using the software Migrate_n.
N/S, North to South; S/N, South to North; θ N , Theta in the North; θ S , Theta in the South;
MLE, Maximum-likelihood Estimates; P, percentile; -, estimated values of 4Nm failed for
the considered percentile (too much lower values)
Loci 4Nm N/S 4Nm S/N θ N θ S
COI
MLE 2.235 10 -13 0.572 0.016 0.024
P 0.005 - 0.045 0.012 0.018
P 0.995 0.781 2.209 0.024 0.031
SAHH
MLE 23.389 1.302 10 -13 0.005 0.016
P 0.005 13.815 - 0.004 0.011
P 0.995 36.030 0.644 0.008 0.025
GlobX
MLE 10.359 1.007 10 -7 0.004 0.009
P 0.005 5.014 - 0.002 0.006
P 0.995 16.830 - 0.006 0.014
PGM
MLE 1.525 4.546 10 -13 0.011 0.010
P 0.005 0.326 - 0.003 0.006
P 0.995 3.872 0.855 0.022 0.022
146

Chapitre 4
Testing an Isolation Model with Migration between the two mitochondrial clades of A.
pompejana
The model of Isolation with Migration developed by Hey and Nielsen (2007) was
used for testing the occurrence of either past gene flow between the two divergent mt
lineages of A. pompejana or detecting recent hybridization and introgression processes
following a secondary contact zone. These migration rates are clearly different from those
estimated by Migrate_n across the barrier since this later quantifies both the introgression
rate between the two mt clades and the exchanges of individuals from both types across the
barrier. The estimated ‘Isolation with migration’ parameters are presented in Table 4.5.
Divergence time between the two mt lineages displayed the highest likelihood values
around 1-2 Mya (Fig. 4.11). General patterns of allele migration occurred from the
Southern to the Northern mtCOI clade whereas no migration has been detected in the
opposite direction (Fig. 4.11, Table 4.5).
147

Chapitre 4
148

Chapitre 4
A
B
C
Fig. 4.11 Marginal posterior probability distribution for divergence time between
lineages (A), effective population sizes of the ancestral population and its two
derived ones (B) and directional gene-flow rates between the two mt lineages (C),
estimated by the isolation with migration model IMa.
Parameters correspond in those from the Table 4.5.
149

Chapitre 4
This result is concordant with the monolocus asymmetric direction from South to North of
the migration (presence of a non null peak), although the probability distributions of
migration for genes PGM, SAHH and GlobX are not significantly shifted from zero on the
basis of the 90%HDP. This migration orientation can be clearly seen from the allele
admixtures observed in the northern clade when looking at the allele networks, at least for
the PGM and GlobX genes (Fig. 4.12). The mean time of migration events from the
Southern clade to the Northern clades ranged from 25 000 to 300 000 years ago (Table
4.6), indicating that alleles exchanges occurred closely after the isolation process (1.6
Mya). The mean time of migration events (mtime) at PGM was however ten times lower
than the two other loci, indicating that allele introgression occurred more recently at this
locus (estimated around 23 000 years).
Fig. 4.12 IM single locus probability distributions of migration rates for each of the
4 loci.
m1, migration from the Northern to Southern mtCOI lineages; m2, migration from
Southern to Northern mtCOI lineages.
150

Chapitre 4
Table 4.6 Estimates of migration rates (m) and mean time of migration events
(mtime), obtained from IM analyses on the 4 loci.
Labels (1) and (2) correspond to the Northern and Southern clades, respectively. For
SAHH and GlobX genes, m values correspond to the range of the posterior distribution
without considering m = 0.
Locus
m1 m2 mtime1 (My) mtime2 (My)
COI 0 0 - -
SAHH 0 0-7 - 0.347
GlobX 0 0-7 - 0.388
PGM 0 1 - 0.023
Hybrid detection between the North and the South clades of PGM
The PGM network (Fig. 4.10) allowed us to detect 3 individuals sampled on the
Southern EPR with at least one allele of the Northern clade (two from 14S and one from
7°25S) but the Southern mitochondrial type. Because of fixed substitutions and indels into
the divergence of the 4 PGM clades, all specimens collected were genotyped by combining
RFLP and intron length. By comparing RFLP, indel genotypes and mitochondrial
haplotypes of each individual, 4 ‘hybrids’ (33.3%) between the Northern and Southern mt
clades were detected at 7°25S, 2 (16.7%) at 14°S and only one (1.7%) at 13°N whereas no
‘hybrid’ has been found from the other latitudes.
Moreover, comparison between RFPL and allozymes allowed to detect a clear
correspondence between clades 3 and 4 detected in PGM gene with allele 90 and 100
found in allozymes in southern EPR, respectively (complete linkage disequilibrium:
Garnier-Géré & Dillmann (1992) R’s correlation coefficient = 0.852, p = 0.0001).
However, the 9bp indel, together with linked substitutions that discriminate clade 1 from
clade 2 in the Northern clade, did not correspond to allozyme 100 and 90 of the northern
populations. Three non-synonymous mutations were detected within PGM exon4. Two of
them were singleton and corresponded to an Isoleucine / Valine amino acid replacement,
having no or little influence on the protein charge. On the contrary, the third nonsynomynous
mutation was a Gln/Glu change with a fixed Gln in clade 3 (allozyme 90 in
the South) and a fixed Glu for the three other clades. These two amino acids have not the
same electrophoretic charge and are likely responsible for a net charge change of
allozymes easily detectable by electrophoretic migration on a starch gel. Because this non-
151

Chapitre 4
synonymous substitution was not detected in PGM exon4 alleles of the Northern EPR
populations, the amino acid substitution that is responsible for the 90/100 allelism in
Northern EPR is elsewhere and represents an homoplasic site when compared with the
alleles of exactly the same charge in the South.
Detecting demographic changes and/or selective effects
Tajima (D) and Fu & Li (F*) indexes were significantly negative for all loci in the
Southern mt clade whereas only the gene SAHH displayed significant values in the
Northern clade. All genes thus evidenced a departure from neutral equilibrium between
drift and mutation in the Southern mt clade but no necessarily in the Northern one.
PGM-specific Neighbour Joining tree displayed a topology similar to gene under
balancing selection (maintenance of ‘old’ lineages) but trees from the two other nuclear
genes SAHH and GlobX had a more likely star-like shape typifying a selective sweep (Fig.
4.13). The HKA multiloci test was significant using all genes (probability from χ 2
distribution = 0.000), indicating that at least one gene evolved under positive selection.
When discarding mtCOI, HKA test became not significant (pχ 2 = 0.134), suggesting that it
could be the reflection of strong purifying selection at this locus. However, MacDonald
Kreitman tests failed to detect any selection whatever the gene considered (p > 0.05) by
comparing A. pompejana polymorphism to the divergence to A. caudata outgroup. The
Sweep_bott analyses performed within each mt clades using the 4 loci are summarized in
Table 4.7.
152

Chapitre 4
Fig. 4.13 Linearized Neighbour Joining topologies of A. pompejana in easily aligned
parts of the four studied genes in Northern and Southern EPR rooted by sequences
from A. caudata (dotted lines).
153

Chapitre 4
Table 4.7 MLEs and likelihood ratio test (LRT) computed using the sweep_bott
software to discriminate between the selective sweep and bottleneck hypotheses as
shaping tree topologies of the Northern and Southern mt clades of A. pompejana.
M1, neutral model; M2, bottleneck model; M3, selective sweep model; NS, nonsignificant.
Significances of the LRT were tested according to a χ2 table with a ddl equal
to the difference between the number of parameters estimated for each model (ddl = 2, 8
and 6 for M2-M1, M3-M1 and M3-M2 multilocus LRT, respectively and ddl = 1 for M3-
M1 monolocus LRT).
MLE COI GlobX SAHH PGM
North
M1 -99.718 -37.728 -11.171 -14.341 -36.475
M2 -92.660
M3 -90.460 -35.171 -9.712 -11.170 -34.407
LRT M2-M1: 14.116
p < 0.005
M3-M1: 18.516
p < 0.025
M3-M2: 4.400 (NS)
5.114 (NS) 2.918 (NS) 6.342
p < 0.025,
4.136 (NS)
South
M1 -159.367 -4.149 -57.112 -38.064 -60.042
M2 -153.211
M3 -139.745 -0.290 -52.196 -30.557 -56.704
LRT M2-M1: 12.312
p < 0.005
M3-M1: 39.243
p < 0.005
M3-M2: 23.282
p < 0.005
7.718
p < 0.025
9.830
p < 0.01
15.014
p < 0.005
6.677
p < 0.005
In the Northern clade, likelihood ratio tests indicated that the bottleneck (M2 model) and
selective sweep (M3 model) models were both significantly better to explain the coalescent
topology than the neutral M1 model. It was however not possible to discriminate between
the M2 and M3 hypotheses. Likelihood-ratio tests (LRT) performed on each gene,
separately were only significant for the SAHH gene, indicating that M3 model would be
more probable than M2 in the Northern clade. In the Southern clade, likelihood ratio tests
also showed that M1 is not able to explain the observed tree topologies. Based on LRT,
M3 was significantly better than M2, indicating that a selective sweep occurred at, at least
one gene in the Southern clade. However, all genes taken separately displayed a significant
ratio test when compared with the neutral M1 model, suggesting that a bottleneck might
have occurred even if one gene (SAHH: greatest level of LRT significance across genes)
may have swept across the two lineages. Consequently, analyses of departure from neutral
154

Chapitre 4
evolution reinforce the hypothesis of population expansion in the southern EPR while also
promoting the scenario of selective sweep that extended across the mt lineages of A.
pompejana to explain the lack of geographic differentiation at the SAHH locus.
Discussion
Emergence and strength of an equatorial barrier to gene flow
A genetic break for the mtCOI gene between the northern and southern EPR with a
more or less extended transition zone for a series of hydrothermal vent species have been
revealed in previous studies (Hurtado et al 2004, Plouviez et al 2009). If some species,
such as the gastropod Lepetodrilus ovalis or the bivalve Bathymodiolus thermophilus,
displayed a clinal distribution of their northern and southern mtCOI haplotypes (Plouviez
et al 2009), Alvinella pompejana exhibited a clear equatorial break for this gene. In the
present study, if three nearly-monomorphic enzyme loci did not show any genetic
differentiation between the Northern and Southern EPR, the occurrence of an equatorial
barrier was confirmed by the detection of a clear genetic break at the six remaining enzyme
loci. In addition, SAHH gene did not show significant differentiation across this barrier,
but the GlobX and PGM genes displayed a slight allele-frequencies shift to nearly
complete allele isolation. Variance of genetic differentiation among loci has been widely
reported during the allopatric isolation process (Lewontin & Krakauer 1973) and
commonly depicted across a barrier to gene flow (Ting et al 2000, Broughton & Harrison
2003, Pogson et al 1995, Lemaire et al 2005). This is mainly due to (1) the sensitivity of
the molecular method used to detect variants, which depends on the time scale at which the
isolation is observed (Sunnucks 2000, accumulation of non-synonymous mutations to
change the net charge of a protein is a long process) and (2) the stochasticity of the
coalescence process (Hudson & Turelli 2003).
The strength of the barrier seems to be great as this barrier affected nearly all loci
despite is recent history. Divergence between northern and southern clades is indeed
estimated between 1-2 Mya using the IMa multilocus estimation with very low migration
rates. This estimation is congruent with the shared vicariant event estimated to have
occurred 1.3 Mya from a series of vent species using ABC computation on the
mitochondrial gene COI (Plouviez et al 2009). The isolation process was believed to be
155

Chapitre 4
forced by the formation of multiple transform faults 1-2 Mya in this region (Kureth & Rea
1981, Naar & Hey 1989, Francheteau et al 1990) and probably reinforced by a strong
transverse deep-sea current at the Equator (Reid 1997).
Detection of a slight but significant differentiation for six enzyme loci across the
equatorial barrier indicated that 1.3 My was not sufficient to affect the net charge of
allozymes to create divergence but reduces migration enough to modify allozyme
frequencies from each part of the barrier just by drift. Comparing patterns of genetic
differentiation between allozymes and nuclear loci therefore suggests that even an abrupt
decrease of gene flow due to a physical barrier to migration has a very limited impact in
changing allozyme frequencies. However, this contrasts with the lack of genetic
differentiation previously observed along the thousands kilometres stretch of both sides of
the EPR (Jollivet et al 1995, this present study) and confirms that A. pompejana is able to
disperse farer than expected from the observed set of inter-field distances and the bottom
current speed (Chevaldonné et al 1997). This situation may be therefore explained by
either a developmental arrest of embryos in the cold abyssal water masses and subsequent
delay to metamorphosis (Pradillon et al 2001) or may also be imputed the displacement of
sites due to hydrothermal activity movements allowing bursts of colonisation by
reconnecting previously isolated populations (Jollivet et al 1999).
Because the strength of a barrier to gene flow can vary through time, questions
related to potential secondary contact during an ongoing allopatric isolation process may
be explored in two ways: (1) is the barrier transiently permeable to gene flow or not
anymore effective? and (2) are mtCOI lineages still able to crossbread and hybridize?
Permeability of the barrier and a transient secondary contact zone
A secondary contact zone between Northern and Southern EPR was already
hypothesized to explain the clinal distribution of mtCOI for B. thermophilus and L. ovalis
(Plouviez et al 2009). Such a secondary contact zone, if present, should be located near the
barrier to gene flow with a size that would depend on several parameters including the
model of dispersal of the species, the strength of the genetic barrier and the
migration/selection balance on the gene under consideration (e.g. Piálek & Barton 1997).
Indeed, Barton & Hewitt (1985) predicted that a genetic barrier is always sitting at a
geographic point where gene flow falls to its minimum. It spatial extension mainly
depends on an equilibrium between the strength of the selection against hybrids and the
156

Chapitre 4
dispersal potential of propagules, leading to a narrow tension zone for weak dispersers
(e.g. between 1775 and 1800m elevation in two Big Sagebruh subspecies, Graham et al
1995) to large mosaic hybrid zones for long-term migrants (Bierne et al 2003).
Estimation of migration rates across the equatorial barrier confirmed the
existence of a narrow secondary contact zone, located between 7°25’S and 14°S. This
supports the idea that the barrier is porous. Indeed, if migration was quite inexistent for the
gene mtCOI, all nuclear genes displayed an asymmetric migration flux across the equator
from North to South. This was confirmed by the finding of some ‘hybrid’ individuals at the
PGM locus at 7°25’S and 14°S, suggesting that the strength of the genetic barrier is still
probably very high. Discrepancies of migration rates between loci could be due to
selection against hybrids that can delay the spread of allochtoneous alleles across the
barrier and could thus affect genes differentially (Barton & Hewitt 1981, Barton &
Bengtsson 1986). This suggests that allele introgression may occur between the mtCOI
North/South lineages. However, the fact that gene flow is stopped for at least two loci
(COI and PGM) raises the question on whether the barrier is becoming more and more
impermeable with time: a situation that would fit the progressive offsetting of the ridge
axis by a transform fault, or whether this barrier can be relaxed at some point to allow
transient bursts of gene flow. Several biological explanations may support this hypothesis
including the fact that larval exchanges across the barrier may be greatly facilitated by any
modification of the deep-sea current circulation prevailing at a given period of time
(Hurtado et al 2004). Another possibility is that any displacement of hydrothermal vent
discharge along the ridge axis may reduce the inter-field distance across the barrier enough
to position populations at their closest proximity (Jollivet et al 1999).
Fitting an Isolation with Migration model (Hey & Nielsen 2004, 2007) between the
mtCOI lineages may be helpful to estimate migration rates in the past and thus to predict
whether these exchanges represent recent events or may have been much older. Even if the
estimated migration rates between the two clades were not significantly very different from
zero, the shape of the posterior probability distribution of m2 (South to North) was shifted
to a non-null estimate of migration for the three nuclear genes when compared to m1,
confirming the South to North orientation of ‘migration’ (following the IM signification).
This fits well with previous studies reporting that allele introgression is generally expected
to occur in the opposite direction when compared to species dispersal and, concord with
the hypothesis of selection against hybrids, which would tend to limit the spread of the
new arriving alleles in the established lineage (Nagylaki 1975, Barton 1979, Barton &
157

Chapitre 4
Hewitt 1985). Mean times of migration between genes however indicated that migration
between the two clades is probably not recent and may have been maximal around 20 to
300 thousands years ago or more when compared to the 1-2 My phase of isolation. This
indicated that secondary contact zone occurred during the formation of the barrier and
allowed to some extent the hybridization of the two mtCOI lineages. It is therefore very
difficult to discrimate the (even transient) secondary contact hypothesis from an ongoing
speciation process in which gene flow is gradually reduced with time (see Nosil et al 2009,
Faure et al 2009). Indeed, the isolation by “transform fault scenario” would tend to favour
a gradual isolation process whereas secondary contacts could have been a direct
consequence of a more stochastic process of speciation associated with the hydrothermal
patch dynamics and local hydrodynamic changes.
In addition to IM/IMa analyses, detection of ‘hybrid’ individuals between the North
and South clades using the PGM RFLP genotyping method provided evidence of a low
level of geographically-restricted hybridization. These results are in accordance with the
hypothesis of a tension zone between latitudes 7°25’S and 14°S that may prevail for weak
to moderate dispersers: a situation that also corroborates previous findings found with
allozymes (i.e. significant heterozygote excesses and the Structure-based genetic
peculiarities detected in this narrow EPR region). On the opposite, absence of divergence
between the Northern and Southern EPR clades for the SAHH and GlobX genes suggested
either a wider introgression zone, possibly due to a lack of selection against hybrids at
these loci, or the spread of an advantageous allele, which would have swept on one side of
the EPR and subsequently transferred in the other side. Such differences in the span of
introgressed alleles among loci are frequent in hybrid zones (Kruuk et al 1999). When
considering hybridizing species of cottonwoods, namely Populus fremontii and P.
angustifolia along the Weber River, Martinsen et al (2001) already showed that about 20%
of nuclear genes were differentially introgressed at distances from the contact zone varying
from several km to over 100 km. A similar situation has been also depicted for long-term
dispersing marine species (e.g. Bierne et al 2003 in Mytilus edulis and M. galloprovincialis
mussels).
158

Chapitre 4
Testing the hypothesis of balancing selection as an homogenizing force across allozyme
frequencies
Allozymes failed to reveal isolation-by-distance neither along the Northern EPR (Jollivet
et al 1995) nor across the Southern sites (present study). Using the software Structure
populations were sub-divided in three genetically-differentiated groups mainly composed
by the Northern EPR individuals, individuals from 7°25’S and 14°S and the most southern
populations, respectively. However, although differentiated, these groups were not
discriminated by the emergence of new allozymes and by the occurrence of three allele
inversions. With the exception of TPI locus, the lack of an abrupt change in allele
frequencies between 13°N and 7°25’S to 14°S together with non-significant pairwise Fst
values may be a strong argument toward the assumption advocating that a strong
directional selection driven by the geographic homogeneity of the vent habitat is acting on
allozymes (Jollivet et al 1995). Genes under balancing selection or genes linked to them by
hitch-hicking are known to preserve a greater population homogeneity than neutral ones in
subdivided populations (Schierup et al 2000a, Schierup et al 2000b, Muirhead 2001).
During the split of populations across a semi-permeable barrier, such genes should
differentiate at a much lower rate than neutral genes. Looking at the sequence relationship
between alleles encoding allozymes of the PGM, a locus previously supposed to be under
balancing selection (Piccino et al 2004), was particularly interesting to delineate the action
of selection at this locus. Although the screening of the southern populations indicated an
increase of allozyme 90 from North to South responsible for an overall significant genetic
differentiation at this locus, the number of allozymes, their electrophoretic mobilities and
subsequent frequencies remained nearly exactly the same from each part of the equatorial
barrier (13°N/EPR: f 90 =0.4 and 7°25S: f 90 =0.55). Such a variation was not very different
from variation found in A. pompejana between newly founded populations and more aged
ones within the vent field 13°N/EPR (Jollivet et al 1995; Piccino et al 2004). However,
looking at the divergence of alleles responsible for the enzyme polymorphism indicated
that they are clearly distinct across the North/South barrier with a very small number of
individuals possessing alleles from both mt lineages (“hybrids” mainly found at 7°25S).
Moreover, allele assignments derived from PGM exon4 (RFLP screening) to respectively
allozymes 90 and 100, clearly showed that the Q/E substitution associated with the net
charge difference of the southern allozymes do not correspond to the amino acid change
159

Chapitre 4
responsible for the same protein polymorphism in the Northern EPR. This situation was
therefore puzzling and indicated that the electrophoretic mobility of allozymes 90 and 100
was purely homoplasic between mt lineages and probably the result of an adaptive
convergence rather than the maintenance of a balanced polymorphism across the barrier.
Homoplasy in electrophoretic mobilities of allozymes has been widely reported for
incorrectly grouping species in phylogenies due to signal saturation (Keenan 1991, Zhang
& Kumar 1997). However, very little information has been reported so far on homoplasy
associated with allele electrophoretic mobility within a given species. Convergent
evolution of alleles across distinct lineages was nevertheless reported at several loci (e.g.
ABO gene: O’hUigin et al 1997 but see also Wood et al 2005). The shape of PGM
coalescence trees and their associated neutrality tests however suggests that balancing
selection may still act in the Northern populations (maintenance of two deeply divergent
alleles without or little recombination) whereas it seems to behave more neutrally in the
southern populations. The orientation of mutations of PGM alleles of A. pompejana by the
outgroup A. caudata may help in the understanding of the whole gene history. The network
indeed indicates that both alleles 90 and 100 from the southern populations derived from
only one of the two alleles found in the Northern populations, suggesting that (1) the
northern alleles are probably more ancestral than the southern ones and (2) one ancestral
allele at least was lost by drift during the colonisation of the Southern EPR. Such a
scenario is highly predictable for populations subjected to high extinction rate and has been
previously proposed to explain the absence of reciprocal monophilies at some genes during
the process of allopatric speciation (Cunningham & Collins 1998).
Possible impact of selective sweeps in the crossing of the physical barrier
Balancing selection is not the only way to promote a lack of geographic structuring
between populations. The rapid sweep of an advantageous allele in a given lineage is also
expected to cross more easily a genetic barrier and spread within another lineage if the
advantage is also positive for the latter (e.g. Piálek & Barton 1997, Faure et al 2008).
Comparing different coalescence models already showed that the SAHH gene did not
follow a neutral (M1) model from both sides of the EPR and was more compatible with a
selective sweep model (M3). Moreover, star-like topologies with the occurrence of
potential surviving lineages associated with significantly negative Tajima and Fu & Li
indexes displayed on each part of the EPR strengthens the ‘selective sweep’ hypothesis for
160

Chapitre 4
SAHH. Even if the GlobX gene seems to coalesce neutrally, allele topologies were quite
similar to those observed for the SAHH gene, and may also be interpreted as an even more
recent sweep: a situation very difficult to detect due to the lack of diversity (Berry et al
1991). Occurrence of a selective sweep at loci SAHH and GlobX would be the best
explanation to the lack (SAHH) or the very small (GlobX) differentiation between
populations across the equatorial barrier, under the assumption of isolation in allopatry.
The extended spread of advantageous alleles through the barrier will be therefore a
convincing argument toward a recent change in the barrier porosity. The spread of an allele
across a permeable barrier is however expected to be proportional to the selective
coefficient of the advantage, suggesting that the locus GlobX could be more affected than
the SAHH one (Morjan & Rieseberg 2004).
Demographic expansion in the Southern EPR hypothesis
A comparative phylogeographic approach across seven vent species using the
mtCOI gene, including A. pompejana, revealed the occurrence of a concomitant
demographic expansion in Southern EPR in the last 0.5 My (Plouviez et al 2009). In the
present study, Tajima’s D and Fu & Li indexes were found significantly negative for all
genes for the Southern clade whereas it was significant at only one locus (SAHH) in the
Northern one. If the selective sweep model (M3) was favoured in the Southern clade,
indicating that at least one gene did not coalesce neutrally, the bottleneck model (M2) was
also significantly better than the neutral model (M1). When considering the M2 model
gene by gene, departure to the neutral accumulation of mutations in polymorphism was
significant for all genes in the Southern clade whereas only the SAHH gene remained
significant in the Northern clade. Assuming the same distribution pattern of nucleotidic
diversity across the studied genes (as expected for a demographic event such as expansion,
Hudson et al 1987, Galtier et al 2000), this multiloci approach is thus in accordance with
the Southern population expansion hypothesized by Plouviez et al (2009). This result
suggests that multiple extinction and re-colonisation events favouring the recurrence of
bottlenecks through time (Haymon et al 1991, Tunnicliffe et al 1997, Jollivet et al 1999)
are likely due to the higher extinction/instability rate observed in the Southern EPR when
compared to the Northern one (Cormier 1997, Fouquet et al 1994).
161

Chapitre 4
The multilocus study performed on A. pompejana allowed to confirm that the
equatorial barrier has played an important role in structuring populations of this species, as
proposed by Plouviez et al (2009) in mtCOI. This geographic barrier was found semipermeable
to gene flow with a hybrid zone that appears to be mainly ranged from 7°25’S
to 14°S, with an asymmetric migration from North to South EPR and an introgression
between mtCOI divergent lineages in the opposite sense. By identifying one gene under
selective sweep (SAHH) that crossed rapidly this barrier, and one putative balancing
selected gene (PGM), this study thus constitutes a good example of different behaviours
gene can display in hybrid zone. Comparison of allozymes, sequences and RFLP on PGM
allowed to detect an homoplasy of charge, and thus highlight that, even if strong (0.76%-
mean divergence clades between North and South revealed by sequences), differentiation
between populations could sometimes be masked in allozymes. In addition, discriminating
a bottleneck model from a selective sweep model through the comparison of mtCOI and
nuclear genes strongly support the Southern demographic expansion hypothesis previously
suggested by a multispecies analysis on mtCOI. This result highlight the necessity to use
both multispecies and mutlilocus analyses to explore demographic events.
Acknowledgments
We thank the chief scientists and ‘Nautile’ crews for their technical support and efforts
during our oceanographic expeditions: PHARE2002, HOPE99 and BIOSPEEDO2004. We
are very grateful to Stéphane Hourdez and Baptiste Faure for collecting and sorting
alvinellid polychaetes. We are also truly indebted to the sequencing genomic plateforms:
GENOMER (Station Biologique de Roscoff, France) and GENOSCOPE (Evry, France) for
the sequencing of the mtCOI fragment and our clone collection, respectively. This work
was supported by the GDR Ecchis, the ANR-06-BDV-005 (Deep Oases: coord. D.
Desbruyères) and ANR-05-BLAN-0407 (Alvi_Stress_Adapt). S. Plouviez was supported
by a PhD grant from the Université Pierre et Marie Curie.
162

Chapitre 4
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78 0.0375 0 0 0 0 0 0
90 0.3875 0.5588 0.7333 0.6912 0.8684 0.8558 0.7429
100 0.5 0.2353 0.2333 0.2941 0.1053 0.1442 0.2429
112 0.075 0.1765 0.0333 0.0147 0.0263 0 0.0143
120 0 0.0294 0 0 0 0 0
H exp. 0.5928 0.6003 0.4067 0.4356 0.2341 0.2469 0.389
H n.b. 0.6003 0.6185 0.4207 0.4421 0.2404 0.2493 0.3946
H obs. 0.575 0.5294 0.2 0.3529 0.2632 0.25 0.2571
Fis 0.018 0.168 0.533* 0.213 -0.098 -0.003 0.352*
MPI
(N) 40 17 15 34 19 52 35
70 0.0125 0 0 0 0 0 0
92 0.0375 0 0 0 0.0263 0.0096 0
96 0.35 0.3235 0.1333 0.0882 0.1579 0.1058 0.0714
100 0.6 0.6765 0.8667 0.9118 0.8158 0.8846 0.9286
H exp. 0.5159 0.4377 0.2311 0.1609 0.3089 0.2062 0.1327
H n.b. 0.5225 0.451 0.2391 0.1633 0.3172 0.2082 0.1346
H obs. 0.675 0.2941 0.1333 0.1765 0.3684 0.1923 0.0857
Fis -0.308 0.370* 0.451* -0.097 -0.167 0.077 0.366
GPI
(N) 40 17 15 34 19 52 35
70 0.0125 0 0 0 0 0 0
100 0.9875 1 1 0.9118 0.9737 0.9904 0.9429
120 0 0 0 0.0882 0.0263 0.0096 0.0571
H exp. 0.0247 0 0 0.1609 0.0512 0.019 0.1078
H n.b. 0.025 0 0 0.1633 0.0526 0.0192 0.1093
H obs. 0.025 0 0 0.0588 0.0526 0.0192 0.0571
Fis -0.012 - - 0.644* 0.000 0.000 0.481
6PGD
(N) 40 17 15 34 19 52 35
80 0 0 0 0 0 0.0096 0
90 0.2 0.4118 0.2333 0.2206 0.3158 0.2019 0.1571
100 0.775 0.5588 0.7667 0.75 0.6842 0.6154 0.8286
110 0.025 0.0294 0 0.0294 0 0.1731 0.0143
H exp. 0.3588 0.5173 0.3578 0.388 0.4321 0.5505 0.2886
H n.b. 0.3633 0.533 0.3701 0.3938 0.4438 0.5558 0.2928
H obs. 0.3 0.4118 0.2 0.3235 0.5263 0.4808 0.2286
Fis 0.190 0.261 0.468 0.187 -0.192 0.136 0.222
168

IDHhaut
(N) 40 17 15 34 19 52 35
100 0.9 0.8824 0.8333 0.9853 0.8947 0.9712 0.9429
120 0.0625 0.1176 0.1333 0 0.1053 0.0096 0.0571
140 0.0375 0 0.0333 0.0147 0 0.0192 0
H exp. 0.1847 0.2076 0.2867 0.029 0.1884 0.0564 0.1078
H n.b. 0.187 0.2139 0.2966 0.0294 0.1935 0.0569 0.1093
H obs. 0.15 0.2353 0.3333 0.0294 0.2105 0.0577 0.1143
Fis 0.204 -0.097 -0.129 0.000 -0.091 -0.013 -0.046
ACP
(N) 40 17 15 34 19 52 35
90 0.0125 0 0 0 0.0263 0.0096 0
100 0.9875 0.6765 0.9667 1 0.9737 0.9808 0.8143
120 0 0.3235 0.0333 0 0 0.0096 0.1857
H exp. 0.0247 0.4377 0.0644 0 0.0512 0.0379 0.3024
H n.b. 0.025 0.451 0.0667 0 0.0526 0.0383 0.3068
H obs. 0.025 0.5294 0.0667 0 0.0526 0.0385 0.3714
Fis 0.000 -0.150 0.000 - 0.000 -0.005 -0.214
LAP
(N) 40 17 15 34 19 52 35
90 0 0 0 0.0294 0 0 0
100 1 1 0.9333 0.9706 1 1 1
110 0 0 0.0667 0 0 0 0
H exp. 0 0 0.1244 0.0571 0 0 0
H n.b. 0 0 0.1287 0.0579 0 0 0
H obs. 0 0 0.1333 0.0588 0 0 0
Fis - - -0.037 -0.015 - - -
TPI
(N) 40 17 15 34 19 52 35
82 0 0.0294 0 0.0294 0 0.0481 0.0143
90 0 0.0294 0 0.1471 0.0263 0.3269 0.0571
100 0.3875 0.8529 0.9333 0.6912 0.6842 0.6154 0.6857
110 0.5875 0.0882 0.0667 0.1324 0.2895 0.0096 0.2429
120 0.025 0 0 0 0 0 0
H exp. 0.5041 0.263 0.1244 0.4823 0.4474 0.512 0.4673
H n.b. 0.5104 0.2709 0.1287 0.4895 0.4595 0.517 0.4741
H obs. 0.6 0.1765 0 0.6176 0.4211 0.75 0.4
Fis -0.232 0.358 1.000* -0.257 0.086 -0.457 0.158
HK
(N) 40 17 15 34 19 52 35
96 0.025 0 0 0.0441 0.0263 0.0096 0
100 0.5625 0.8824 0.6667 0.6618 0.7895 0.7308 0.7571
104 0.4125 0.1176 0.3333 0.2941 0.1842 0.2596 0.2429
H exp. 0.5128 0.2076 0.4444 0.4736 0.3421 0.3985 0.3678
H n.b. 0.5193 0.2139 0.4598 0.4807 0.3514 0.4024 0.3731
H obs. 0.725 0.2353 0.2667 0.2059 0.3158 0.4231 0.4857
Fis -0.388 -0.097 0.429 0.580*** 0.104 -0.052 -0.308
Chapitre 4
169

Chapitre 4
4.2. B. thermophilus
4.2.1. Résumé des résultats
Contrairement à l’espèce A. pompejana qui associe divergence sur le mtCOI et
différenciation géographique de part et d’autre de la barrière équatoriale (constituée en
partie par le complexe de failles transformantes Discovery/Gofar), la moule hydrothermale
B. thermophilus présente deux lignées divergentes sur le gène mitochondrial sans situation
d’allopatrie stricte de 13°N à 7°25’S, ce qui rend le positionnement de la barrière entre
populations Nord et Sud EPR difficile sur la base d’un seul gène. De plus, les 2 lignées
mitochondriales étant mélangées sur les sites 13°N, 9°50N et 7°25S, plusieurs scenarii de
colonisation pourraient expliquer la distribution géographique de ces lignées :
(1) un isolement physique puis génétique de part et d’autre de la barrière par
vicariance, suivi d’une remise en contact secondaire au Nord de l’EPR liée aux
caractéristiques particulières de dispersion chez cette espèce,
(2) un isolement sympatrique (parapatrique) des deux lignées mitochondriales au Nord
suivi de la migration d’une seule de ces lignées vers le Sud à travers la barrière,
(3) l’extinction de la lignée nord au Sud de l’EPR due au taux de remaniement
tectonique des sites plus élevé dans cette région.
Une comparaison des flux de gènes entre le gène mtCOI, des marqueurs allozymiques et le
polymorphisme de séquences de quatre gènes nucléaires a ainsi été réalisée afin de :
(1) préciser la position géographique de la barrière aux flux de gènes
(2) déterminer le degré de perméabilité de cette barrière, en évaluant la migration à
travers celle-ci (intensité, asymétrie)
(3) quantifier l’hybridation potentielle entre les 2 lignées mitochondriales
(4) vérifier par l’approche multi-locus l’hypothèse d’expansion démographique au Sud
de la dorsale proposée par Plouviez et al (2009).
L’analyse des allozymes effectuée de 7°25’S à 21°33’S n’a pas permis de mettre en
évidence de structure génétique sur cette portion de dorsale et confirme l’absence
d’isolement par la distance chez B. thermophilus suggérée par Craddock et al (1995) sur
l’EPR Nord et les sites Galápagos. Les quatre gènes nucléaires présentent, quant à eux, une
170

Chapitre 4
divergence marquée en 2 clades d’allèles (Fig. 4.14) associée à une différenciation
génétique entre les champs hydrothermaux 7°25’S et 14°S, et confirment donc la
localisation géographique supposée d’une barrière dans cette zone géographique. Les
gènes S-Adenosyl Homocystéine Hydrolase (SAHH) et Sulfotransférase 1 (Sulfo 1)
présentent ainsi deux clades divergents répartis respectivement de part et d’autre de cette
barrière géographique. De plus, si les clades divergents observés sur le gène Lysozyme
(Lyso) se distribuent sur l’ensemble de la dorsale, un indel de 1 pb présent dans les deux
clades (et donc impliquant une recombinaison entre ces clades) est structuré
géographiquement. En effet, la « délétion » est trouvée uniquement au Sud de la barrière,
indiquant que celle-ci serait récemment imperméable au passage des nouvelles mutations,
au moins pour ce gène. La migration détectée à travers cette barrière via le logiciel
Migrate-n relativement faible serait alors probablement issue d’un contact secondaire
ancien. Si cette migration est asymétrique pour l’ensemble des gènes, le sens de migration
dépend du gène considéré (Nord vers Sud pour SAHH et Lyso, Sud vers Nord pour
mtCOI, Sulfo 1 et Sulfo 2), indiquant que des forces de sélection (e.g. sélection contre les
hybrides) pourraient agir différemment sur ces gènes entre le Nord et le Sud de la barrière
selon le ‘background’ génétique de chaque lignée.
171

Chapitre 4
0,002
0,001
SAHH
Lyso
0,002
0,001
Sulfo 1 Sulfo 2
Fig. 4.14 Arbres phylogénétiques réalisés selon la méthodes des plus proches voisins
sur les gènes nucléaires de B. thermophilus à partir des jeux de séquences de qualité 2
(2 allèles maximum par individu).
En bleu et rouge : séquences d’individus échantillonnées respectivement au Nord
(9°50’N-7°25’S) et au Sud (14°S-21°33’S) de la barrière.
172

Chapitre 4
L’utilisation d’un modèle d’ « Isolement avec Migration » (IMa, Hey & Nielsen
2007) suggère une introgression d’allèles récente pour tous les gènes nucléaires à
l’exception du gène Lyso (introgression ancienne et absence d’introgression récente
apparente) principalement orientée de la lignée mtCOI majoritaire au Nord vers celle
majoritairement échantillonnée au Sud (Fig. 4.15). À l’exception du gène Lyso, le sens de
l’introgression des gènes s’oppose au sens de migration détecté par Migrate_n, renforçant
l’hypothèse que la sélection contre les hybrides produits freine la migration des allèles à
travers la barrière. Un balayage sélectif (ou effet autostop) détecté sur le gène Lyso via le
logiciel Sweep_bott et conforté par les D de Tajima et F* de Fu & Li significativement
négatifs au nord et au sud. L’hypothèse d’un passage d’allèle avantageux à travers la
barrière pourrait expliquer que le sens d’introgression soit identique au sens de migration
sur ce gène (balayage d’un allèle avantageux issu du Nord de l’EPR vers le Sud). Si les
gènes Sulfo 1 et 2 contribuent exclusivement à la significativité du test HKA, ces 2 locus
ne présentent pas de coalescents s’écartant de l’attendu neutre (Sweep_bott) et l’absence
de mutation fixée entre B. thermophilus et l’espèce Atlantique B. azoricus suggère que ces
gènes sont plutôt soumis à une forte sélection purifiante.
Les indices de Tajima et Fu & Li significatifs au Sud pour l’ensemble des gènes ne le
sont que pour le gène Lyso au nord. Ces résultats complémentés par les analyses
d’adéquation à un modèle de goulot d’étranglement (bottleneck) effectuées par le logiciel
Sweep_bott et la mise en évidence par le logiciel IMa d’une taille efficace de la lignée
mitochondriale Sud supérieure à celles des lignée Nord et la lignée ancestrale (Fig. 4.15),
confirment l’hypothèse d’expansion démographique au Sud émise par l’approche multiespèces
sur le gène mtCOI (Plouviez et al 2009).
L’approche multi-locus effectuée sur B. thermophilus a donc permis de préciser la
position géographique de la barrière aux flux de gène (7°25’S-14°S), de confirmer sa date
de mise en place (environ 1,3 Ma, Fig. 4.15) proposée par l’approche multispécifique et, de
montrer la faible perméabilité de celle-ci aux flux de gènes. De plus, cette approche a
permis de révéler qu’une introgression d’allèles entre les lignées mtCOI, majoritairement
orientée de la lignée Nord vers la lignée Sud pourrait expliquer des flux migratoires
principalement orientés vers le nord (introgression préférentielle dans l’espèce migrante) :
une situation relativement pertinente si l’on considère que les populations situées au nord
de 9°50N sont en limite d’aire géographique. De plus, un certain nombre de gènes pourrait
173

Chapitre 4
avoir été potentiellement soumis à des forces de sélection homogénéisante (balayage
sélectif : Lyso, sélection purifiante probable : Sulfo 1 et 2). L’expansion démographique au
Sud de la dorsale suggérée par l’approche multispécifique (Plouviez et al 2009) et
confirmée sur le polychète A. pompejana par l’utilisation de gènes nucléaires, est
également vérifiée sur les gènes nucléaires de B. thermophilus.
A
B
C
174
Fig. 4.15 Distributions des probabilités postérieures marginales du temps de
divergence entre lignées (A), de la taille efficace de la population ancestrale et de ces
populations filles, (B), et des taux de flux de gènes directionnels entre lignées (C),
estimées par un modèle d’Isolement avec Migration via IMa.

Chapitre 4
4.2.2. Article en préparation
Polymorphism to divergence analysis of nuclear genes reveals a semi-permeable
transition zone between the Northern and Southern East Pacific Rise in the deep-sea
mussel Bathymodiolus thermophilus
Plouviez S. 1,2 , Faure B. 3 , Le Guen D. 1,2 , Lallier F.H. 1,2 , Bierne N. 4 , Jollivet D. 1,2
1 Université Pierre et Marie Curie-Paris 6, Laboratoire Adaptation et Diversité en Milieu
Marin, Roscoff, France
2 CNRS, UMR 7144 Station Biologique de Roscoff, BP 74, Place Georges Teissier, 29682,
Roscoff, France
3 Present address: Department of Biology, Pennsylvania State University, University Park,
Pennsylvania 16802, USA
4 Département Biologie Intégrative, Institut des Sciences de l’Evolution, UMR 5554,
Université Montpellier 2, Sète, France
Key words: allozymes, nuclear genes, divergence, coalescence, barrier, secondary contact
zone
175

Chapitre 4
Abstract
Comparative phylogeography of deep-sea hydrothermal vent species previously showed
the occurrence of a genetic break between the Northern and Southern parts of the East
Pacific Rise (EPR) that gave birth to a more-or-less sharp transition zone depending on
species. If some species, such as the polychaete Alvinella pompejana, displays a clear
geographic separation between two mitochondrial lineages, position of the barrier was
more difficult to establish for the deep-sea vent mussel Bathymodiolus thermophilus
because of a smooth clinal distribution of the mt lineages along the North EPR. The
present study aims at comparing geographic distribution of the mtCOI lineages together
with those of allozymes and four nuclear genes. Although not detectable with allozymes,
clade-specific allele frequencies of nuclear genes positioned this barrier between 7°25’S
and 14°S. Using a coalescent approach, a secondary contact zone was found with
contrasted migration patterns across the barrier, suggesting that selection against hybrids
acted differentially on each side of the barrier depending on the gene under scrutiny. Allele
introgression between mt clades was clearly identified and seems to occur in the opposite
direction of migration with the exception of Lysozyme for which a selective sweep is
suspected. In addition, the historical demographic expansion previously proposed in the
South EPR from a multi-species approach was confirmed by the nuclear gene analysis.
176

Chapitre 4
Introduction
Physical barrier to gene flow, and especially tectonically-driven topographic
disruptions (i.e. mountain formation by folding or vertical uplift or continent separation)
are well-known to promote allopatric speciation (e.g. Trewick et al 2000, Cox 2001).
During the process of isolation, mutations are gradually fixed into the divergence, and,
under the mutation-drift equilibrium, are expected to be randomly distributed over the
whole genome. Contrasted selective pressures on genes, differing evolutionary rates and
the high stochasticity of the coalescence process may however provoke a great
heterogeneity between genes when estimating species divergence across the barrier (e.g.
Barton 1985). Moreover, the strength of a barrier is likely to evolve during the process of
population isolation either by a progressive gene flow attenuation during the formation of
the barrier or by allowing transient secondary contacts across the barrier (see: Avise 2000,
Nielsen & Wakeley 2001). After a period of isolation, this later process often leads to local
hybridization between the previously isolated demes and thus to the subsequent transfer of
alleles between genomes by backcrosses (Barton & Hewitt 1989, Harrison 1990, Rieseberg
et al 1999). Allele introgression however is known to greatly vary between genes
depending on their position from isolation genes and thus the strength of selection against
hybrids (Barton 2000). For a given mutation rate, isolation genes (or genes linked to them)
should thus display lesser introgression than neutral genes. Moreover, sex-biased isolation
mechanisms (such as differing levels of fitness associated with the orientation of the
male/female crossing) can also be responsible for discrepancies of the barrier permeability
between maternally, paternally and double-inherited loci (see Avise 1994). For example,
the mitochondrial isolation of the sperm whale Physeter macrocephalus between oceans,
although not detected in nuclear genes, was explained by female philopatry (Lyrholm et al
1999). Consequently, positioning ‘recent’ barrier to gene flow represents a difficult task,
especially when habitat is ephemeral, highly fragmented or when the barrier can be
affected by tectonic rearrangements: a situation typifying oceanic ridges and its subsequent
vent fauna (e.g. Grassle 1985, Fustec et al 1987, Shank et al 1998, Jollivet et al 1999).
Multiple species comparison of phylogeography patterns represents a powerful tool
to detect shared vicariant events, and to locate more precisely a barrier to gene flow if
dispersal capacities vary slightly across species (e.g. Maggs et al 2008). However, such a
strategy often leads to the detection of a more-or-less wide transition zone associated with
clinal distributions of diagnostic alleles (e.g. Dawson 2001, Thiel et al 2007, Plouviez et al
2009). To such an extent, cross-gene comparisons within a single species may help in
177

Chapitre 4
positioning more precisely the break and to decipher the role of migration versus selection
against hybrids. Polymorphism to divergence analyses on unlinked genes from different
genomes and/or genome compartments (i.e. maternally-inherited mitochondrial versus
nuclear loci) could thus provide useful additional information about the strength of a
barrier, its geographic range and directionality. This was particularly obvious in the case of
the North/South genetic break reported for the deep-sea hydrothermal vent fauna along the
East Pacific Rise (Hurtado et al 2004, Won et al 2003, Plouviez et al 2009). Even if a
transition zone was detected between the northern and southern parts of the East Pacific
Rise (EPR), some species: the Alvinella pompejana polychaete, for example, displays a
clear mitochondrial divergence across the Equator (Hurtado et al 2004, Plouviez et al
2009) whereas others: the bivalve Bathymodiolus thermophilus shows a clinal distribution
of haplotypes associated with a more permeable barrier. This latest species exhibited two
mtCOI divergent clades overlapping along the North EPR but not in the South (Won et al
2003, Plouviez et al 2009). This result together with the observation that populations from
13°50N also coincides with the northern range limit of the species, questioned about two
alternative colonization scenarii: (1) the emergence of a secondary contact zone in the
North after the setting up of a North/South barrier, or (2) the migration of only one
mitochondrial lineage to the South through this barrier. The precise location of this
North/South barrier and its role in the population distribution of the deep-sea mussel B.
thermophilus needs thus a more in-depth investigation.
The bivalve Bathymodiolus thermophilus are known to possess great dispersal
capabilities. Indeed, millions of oocytes are released per female and fertilized in deep-sea
water over the mussel beds to develop into small 60-µm planktotrophic embryos (Le
Pennec 1984). Recent studies on closely-related species demonstrated that these
planktotrophic larvae are able to reach upper-lighted layers of the ocean for feeding to
finally reach a size of about 400 µm prior to metamorphosis and settlement (Mullineaux et
al 2005, Arellano & Young 2009). Because deep currents located several hundreds metres
above the bottom can be twice faster than on the seafloor, and, often very different in
direction from those of the sea surface (Thomson et al 1990, Cannon & Pashinski 1997),
vertical position of larvae is critical for dispersal between sites (Mullineaux et al 2005),
particularly with a planktonic larval duration up to 8 months (as estimated in B. childressis,
Arellano & Young 2009). Such dispersal particularities could thus favour population
connectivity along previously isolated ridges and could explain both the greatest
178

Chapitre 4
permeability of ‘ancient’ topographic barrier and the given directionality of gene flow
along the ridge.
In the present study, a comparison of mtCOI haplotypes, allozymes and alleles at 4
nuclear genes will address several questions about the evolution of mussel populations
located around the North/South barrier of the East Pacific Rise which are:
(1) are allele distributions at other loci consistent with the 7°25’S-14°S barrier to
gene flow proposed using mtCOI (Plouviez et al 2009)?
(2) how great is the permeability of this geographic barrier? and could gene flow be
really asymmetric between the North and South regions?
(3) do the two divergent mtCOI lineages able to cross-hybridized? and finally,
(4) does the hypothesis of population expansion in the south EPR still hold when
using nuclear genes on Bathymodiolus?
To answer these questions, alleles of four nuclear loci were cloned and sequenced
using the mark-recapture (MR) cloning protocol previously developed by Bierne et al
(2007) using several individuals of 7 disjunct populations located along the whole EPR.
Sequence patterns were then compared with mitochondrial haplotype and allozyme ones
and several evolutionary hypotheses tested using a coalescent approach.
179

Chapitre 4
Material and Methods
Collection
Bathymodiolus thermophilus specimens were sampled from seven deep-sea
hydrothermal vent fields along the East Pacific Rise (Table 4.8) using the tele-manipulated
arm of the manned submersible Nautile operated from the oceanographic vessels Le Nadir
and L’Atalante during two oceanographic cruises: at 9°50’N during HOT 1996 and from
7°25’S to 21°33’S during BIOSPEEDO 2004. During both cruises, all fresh specimens
were measured and dissected on board and tissues (mantle and muscles) were preserved in
80% alcohol. In addition, the anterior muscle of each individual was also frozen in liquid
nitrogen for allozyme analyses during BIOSPEEDO 2004.
Table 4.8 Location and sample size of populations sampled for allozymes (n allo ),
mtCOI (n mtCOI ), and nuclear genes.
n SAHH , n Lyso , n Sulfo1 , n Sulfo2 , total number of recaptured alleles for each nuclear gene. In bold
number of recaptured individuals.
Vent Geographical
field position
9°50N 9°50’N
104°17’W
7°25S 7°25’S
107°47’W
14°00S 13°59’S
112°29’W
17°25’S 17°25’S
113°12’W
17°34’S 17°35-36’S
113°15’W
18°33S 18°33’S
113°24’W
21°33S 21°33’S
114°18’W
Depth
(m)
n allo n mtCOI n SAHH n Lyso n Sufo1 n Sulfo2
2530 0 45 10 16 14 10
6 11 9 8
2735 10 48 33 29 22 12
25 19 17 11
2623 38 30 19 24 15 12
12 14 12 10
2575 137 21 16 15 14 12
11 10 12 8
2595 23 60 15 24 14 14
10 15 12 10
2636 33 30 17 19 15 9
11 12 12 7
2800 103 27 28 24 13 9
19 14 8 6
180

Chapitre 4
Allozyme genotyping
Eight enzyme systems were genotyped on B. thermophilus from 7°S to 21°S (Table
4.8) following the protocols of Pasteur et al (1987). Proteins from each frozen sample of
adductor muscle were extracted according to Piccino et al (2004)’s method. Enzyme
electrophoreses were conducted on 12% starch gel using two different buffer systems: (1)
Tris-Citrate pH 8.0 (TC 8) for Phosphoglucomutase (Pgm, E.C. 5.4.2.2), Mannose
phosphate isomerase (Mpi, E.C. 5.3.1.8), Octopine deshydrogenase (Odh, 1.5.1.11) and
Leucine amino peptidase (Lap, 3.4.11.1); (2) Tris-Citrate pH 6.7/6.3 (TC 6.7) for Glucose
phosphate isomerase (Gpi, 5.3.1.9), Malate deshydrogenase-1 and -2 (Mdh high and low,
1.1.1.37), and Hexokinase-1 (Hk, 2.7.1.1). Loci were numbered according to the
decreasing anodal electromorph mobility in multi-loci systems by calibration with B.
azoricus genotypes from Boutet et al (2009).
DNA sequencing
Genomic DNA was extracted using a CTAB-PVP extraction procedure following
Jolly et al (2006)’s protocol. Mitochondrial lineages of B. thermophilus were identified
from Cytochrome Oxidase I gene (mtCOI) sequences previously obtained by Plouviez et al
(2009: Table 4.8). Sequences from 4 nuclear genes were obtained from the same
individuals using the mark-recapture (MR) cloning technique developed by Bierne et al
(2007) with a capture effort of X2, using primers developed by Faure et al (2009) for the
intron-exons gene portions of S-Adenosyl Homocystein Hydrolase (SAHH) and Lysozyme
(Lyso) and TCTTTAAAGTCAGGATCACATTGG (5’-3’ Forward) and
TAAGGCAAAGTGGAACAACGAGACCGC (5’-3’ Reverse) for the two other exonic
paralogous genes of the Sulfotransferase (called Sulfo1 and Sulfo2, respectively). PCRamplification
were conducted in a 20-µl solution that included 1x buffer (supplied by
manufacturer), 2 mM MgCl 2 , 0.25 mM (0.3 mM for Sulfotransferase) each dNTPs, 0.4 µM
each primers, 0.5 U of Taq polymerase (Thermoprime plus), 0.5µl of 2%-BSA, 2 µl of
template DNA and sterile H 2 O. Thermal cycling parameters used an initial denaturation at
94°C for 5 min, followed by 35 cycles at 94°C for 35s, 60°C for 60s and 72°C for 2min,
before a final 10 min extension at 72°C. Each individual was PCR-amplified separately
with a different set of 5’ tailed primers (4-nucleotides tail).
181

Chapitre 4
Statistical Methods
The program Genetix 4.05.2 (Belkir et al 2004) was used to perform genetic
population analyses on allozymes. For each locus, allele frequencies, heterozygosities and
Weir & Cockerham (1984)’s f estimator (departure from Hardy-Weinberg equilibrium
tested by a 1000-permutations test) were estimated for each population along the EPR. The
overall genetic differentiation across populations was estimated in all loci using the Weir
& Cockerham (1984)’s θ estimator and tested from being significantly different from zero
by 1000 permutations. The isolation-by-distance model was then tested with a Mantel Z
test using Genetix 4.05.2.
DNA sequences obtained from the MR method were proofread using CodonCode
Aligner 2.0.6 (http://www.codoncode.com/aligner/). Sequence alignments were initially
performed with ClustalW (Thompson et al 1994) using BioEdit version 6.0.6 (Hall, 1999)
and improved manually. Number of recaptured alleles varied from one population to
another and allele sample size of each gene and population is indicated in Table 4.8. For
nuclear genes, in vitro recombinants between different individuals from the same PCR set
were easily detected thanks to abnormal combination of the 5’-tails and removed. Multiple
recaptures also allowed us to discard intra-individual in vitro recombinants and putative
artefactual/somatic mutations.
Because of the random nature of the recapture of cloned sequences, it was not
possible to distinguish ‘true’ homozygotes from heterozygotes with a few recaptured
alleles. Consequently, one recaptured allele was randomly sampled from each individual to
avoid sample bias when performing demographic analyses and genetic diversity
estimations (see: Table 4.8). For each locus, genealogical relationships among alleles were
estimated using the median joining algorithm of the Network software (version 4.5.0.0;
www.fluxus-engineering.com: Bandelt et al 1999) to detect potential divergent clades.
Geographic distributions of divergent clades were then examined to locate potential barrier
to gene flow, by plotting synthetic clade-specific allele-frequency distributions for each
locality. These clades were thus defined as mainly North (MN) or South (MS) according to
these allele-frequency distributions. Localities from each side of the putative barrier were
grouped together to test for genetic differentiation across this barrier using F-statistics (φ st ;
182

Chapitre 4
Hudson et al 1992) computed via DNAsp 4.10.3 (Rozas et al 2003) and tested by a 1000-
permutations test.
With the same software, nucleotide diversity (π n ) and Watterson’s theta (θ w ) were
then estimated within both MN and MS clades. A demographic event, should impact the
whole genome in the same way. Conversely, selective effects could act only on few genes.
To disentangle the effects of selective vs demographic effects, departure to neutral
evolution (i.e. no selection and no demographic event) was thus tested for each gene both
in MN and MS clades by Tajima’s (D, 1989) and Fu & Li’s (F, 1993) statistics.
Because coalescent model assumes no recombination, absence of recombination
was thus assessed before proceeding all following analyses using the four-gamete test
(Hudson & Kaplan 1985). A multi-locus Hudson-Kreitman-Aguadé test (HKA, 1987) was
performed separately for MN and MS B. thermophilus clades with one sequence of B.
azoricus as outgroup via the software HKA (J. Hey’s web page:
http://lifesci.rutgers.edu/∼heylab/HeylabSoftware.htm#HKA). This test compares
divergence and polymorphism at several loci to detect if some of these loci display
departure to neutral evolution. Discrimination between bottleneck versus selective sweep
was also tested separately in MN and MS clades using all genes, except Sulfo2 which did
not show any divergent clade and was thus separated according to the geography, using
sweep_bott (Galtier et al 2000) by 100 000 first step iterations, 1 000 000 second iterations
and 20 optimizations processes with a theta range from 1 to 30. Because this software
assumed Infinite Site mutation model and no reverse substitution, sites that did not follow
this assumption were discarded from the dataset. Mc Donald-Kreitman (1991) tests were
not found pertinent because of the absence of fixed non-synonymous mutations between B.
thermophilus and B. azoricus for all the studied genes.
Migration across the North/South barrier
Migration routes across the barrier were examined via Migrate 3.0.3 (Beerli &
Felsenstein 2001) by looking this time at two geographically differentiated groups of sites
(alleles here separated according to the northern and southern parts of the barrier, whatever
their clade adherence). Unfortunately, because of the Mark-Recapture method, few
individuals (1-6 individuals per site, 3.4 in average) displayed alleles in all genes.
Migration rates and thetas were thus estimated by MCMC method on each gene,
separately. Initial Watterson’s theta (θ w ) was calculated for each group of populations
183

Chapitre 4
using DNAsp 4.10.3 and used as a starting parameter in Migrate 3.0.3 to estimate the gene
flow parameters (θ*M) with MCMC runs of ten short (500 steps, 10 000 sampled
genealogies), three long chains (5 000 steps, 100 000 sampled genealogies) and swapping
procedure among 4 heated chains.
Isolation with migration between the two mt lineages
The 0.9%-divergent geographic mt lineages, previously detected between the
northern and southern parts of the EPR (Won et al 2003, Plouviez et al 2009), were
hypothesized to have diverged about 1.3 million years ago with the formation of the
Gofar/Discovery transform faulting complex (Plouviez et al 2009). Because permeability
of the barrier to gene flow can vary from gene to gene, levels of allele introgression may
differ widely across nuclear genes and individuals from both mtCOI lineages. Rates of
migration between the two mtCOI lineages (here migration corresponds in migration
between genome contrary to migration in Migrate-n that is considered across a physical
barrier) and time since population splitting were thus estimated to detect impact of the
barrier on each nuclear gene by fitting an isolation with migration model (IMa and IM
programs, Hey & Nielsen 2004). For each gene, individuals were thus classified into two
groups according to their mitochondrial origin (mtNorth and mtSouth with individuals
having the MN and MS mtCOI lineages, respectively). The HKY mutation model
(Hasegawa et al 1985) was chosen because of detection of sites with more than two
character states in the dataset. The method derives analytically posterior probability
distributions from sampled gene genealogies for effective sizes of both the ancestral and
sister clades (θa θ1 θ2 respectively), the directional gene-flow rates between the derived
lineages (migration according to the IM signification: m1 and m2) and the time elapsed
since the lineages splitting (t). A gene-by-gene estimation of parameters were also
performed using the IM software to search (1) preferred migration orientation of each gene
and (2) whether migration events are recent (introgressed alleles due to a recent secondary
contact) or old (parapatric isolation process). To check convergence of the Markov Chain
Monte Carlo (MCMC) toward the true stationary distribution, multiple runs were
performed using different starting points and autocorrelation between parameter values
was assessed over the course of the runs. A swapping procedure was also used to enhance
the mixing of chains using a geometric heating scheme with 6 Metropolis coupling chains.
Inheritance scalar was assigned to 1 because of the autosomal nature of nuclear genes. To
184

Chapitre 4
convert IMa parameters of divergence time into years, effective population size and
number of introgressed individuals, the geometric mean of mutation rate per year over loci
(U) was estimated using the previous calibration of the mutation rate obtained by Faure et
al (2009), which are also consistent with the calibration across the Isthmus of Panama
when comparing B. thermophilus and B. azoricus. These parameters were converted into
number of individuals within lineage (N), time in years and number of individuals
displaying gene-flow between lineages (M) according to the relationships: N = θ /(4UG),
M = 2Nm, t (years) = t/U, with θ (demographic parameter), m (migration) and t (time)
parameters estimated by IMa and G the number of years per generation.
Hybrid detection using SAHH RFLP analysis
Because the SAHH nuclear gene also displays a strong divergence between two
geographic clades and appears to be genetically linked with mt lineages, occurrence of
putative introgressed/hybrids between mitochondrial lineages were checked by looking for
individuals that possessed one allele typical from each clade (called N/S individuals). A
RFLP approach was thus done on a fixed site previously found in the divergence between
the two sets of SAHH alleles to detect N/S individuals by screening all individuals from
the Bathymodiolus collection onto a 2% agarose gel. The Hinf I restriction enzyme was
thus applied on the SAHH PCR-product fragments to discriminate individuals with and
without this restriction site. Incubation of PCR-products was done at 37°C during 1h30’
within a 20µl total volume containing 17µl of PCR product, 1X buffer (supplied by the
manufacturer) and 10U of Hinf I (Ozyme TM ).
Testing the hypothesis of diversifying selection between mt lineages
Because of the lack of non-synonymous mutations in the divergence of the two mt
clades of B. thermophilus or between these clades and the Atlantic outgroup species B.
azoricus, it was not possible to use the Mc Donald-Kreitman test to search for positive
selection in the separation of the B. thermophilus lineages. We therefore proposed to
employ a new test based on the posterior distribution of the difference between thetas of
the two mt lineages under the assumption of a structured coalescent into two sister demes.
This tests disruptive selection between two groups relying on the fact that selection acting
185

Chapitre 4
on one side of the barrier at a given gene would lead to different nucleotidic diversities
across the barrier. Observed difference between diversities at a given locus is estimated by
Δθ w (θ w north - θ w south), which under the model of neutral isolation of the demes must be
normally distributed. Genes showing Δθ w outliers are therefore a good candidate for
disruptive selection across the barrier. This test is independent of the mutation rate as
genes should accumulate mutations at the same rate in polymorphism of the two isolated
clades. Exception occurs if selection acted more efficiently in one part of the barrier and
purged allele diversity, or if populations from a given clade have endured a bottleneck. In
the first case, one can expect that only few outliers must be detected whereas in the second
case all genes must display an outlier value. To simulate Δθ w from a neutral model, we
used the HABC software MsBayes recently developed from Hickerson et al (2006) to
calculate a series of 1000 pairs of thetas for each gene under the coalescent model of
species split from an ancestral population without bottleneck.
186

Chapitre 4
Results
Geographic distribution of allozymes
A series of differentiation tests were performed on B. thermophilus populations
located along the SEPR from 7°25S to 21°33S. Among the eight allozyme loci, the most
common allele displayed a frequency up to 95% at four loci: Mpi, Odh, Mdh low and Hk.
These four loci were thus considered as monomorphic whereas the remaining 4 loci (Pgm,
Lap, Gpi and Mdh high) were found polymorphic enough to investigate their allele
distribution over the range of the EPR (see supplementary material S1: allele frequencies).
The global test of genetic differentiation did not show significant heterogeneity in allele
frequencies between populations (Fst = 0.007, p value > 0.05), and thus did not allow us to
detect the presence of any genetic structure along the south EPR. Plot of genetic distances
(θ(1-θ)) against geographic distance (Fig. 4.16) and Mantel test (p value > 0.17) also failed
to reveal a trend toward isolation-by-distance.
Fig. 4.16 Distribution of allozyme differentiation (measured by using the distance
theta(1-theta)) against the geographic distance between sites.
187

Chapitre 4
Polymorphism and divergence from DNA sequences
Networks of alleles revealed a pronounced geographic structure of the mussel
Bathymodiolus thermophilus between Northern and Southern EPR. All genes including the
mitochondrial COI were shaped into two geographic clades separated by a more or less
pronounced divergence (see Fig. 4.17). The SAHH gene revealed the presence of two 2%-
divergent clades well established from each part of the previously suggested 7°25’S-14°S
mitochondrial break (Plouviez et al 2009, Fig. 4.17). SAHH clade 1 contains most of
sequences from individuals sampled in the northern EPR and 7°25S whereas clade 2
corresponds to individuals only sampled from the other southern EPR sites. Two 0.3%-
divergent clades were also found in Lysozyme gene but are more difficult to attribute to a
particular region.
188

Chapitre 4
Fig. 4.17 Median Joining Networks on nuclear genes.
SAHH, S-Adenosyl Homocystein Hydrolase; Lyso, Lysozyme; Sulfo 1 and 2,
Sulfotransferase paralogues 1 and 2 together with the Cytochrome Oxidase I (mtCOI:
adapted from Plouviez et al 2009).
189

Chapitre 4
However, a 1 bp indel was only found in sequences sampled in the southern EPR
sites below the latitude of 7°25’S (Fig. 4.18), indicating that the 7°25’S-14°S barrier also
played a role in impeding the spread of new mutations. The paralogous gene Sulfo 1 also
displayed a clear geographic structure between the north and the south of the barrier with a
0.5% divergence between the two clades whereas the less-sampled paralogous Sulfo 2
gene did not reveal any clear structure (Fig. 4.17). This geographic break leads to genetic
differentiation between the two geographic groups of populations (i.e. below and above the
7°25’S-14°S limit) with φ st values significantly different from zero for all sampled genes
(Table 4.9).
SAHH Lyso Sulfo 1
9°N
7°S
14°S
17°25’S
17°34’S
18°S
21°S
120°W 100°W 80°W
1000 km
20°N
10°N
0°
10°S
20°S
30°S
Allele from clade1 (with 1bp ‘insertion’ for Lyso in the intron)
Allele from clade1 (with 1bp ‘deletion’ in the intron)
Allele from clade2 (with 1bp ‘insertion’ for Lyso in the intron)
Allele from clade2 (with 1bp ‘deletion’ in the intron)
Fig. 4.18 Distribution of divergent alleles along the East Pacific Rise for three
nuclear genes.
SAHH, S-Adenosyl Homocystein Hydrolase; Lyso, Lysozyme; Sulfo 1,
Sulfotransferase paralogues 1
190

Chapitre 4
Table 4.9 Summary statistics of nucleotide polymorphism for mitochondrial and
nuclear genes.
N, number of sequences; S number of alleles; θ W , Waterson’s theta; π n , nucleotide
diversity; D, Tajima’s index; F*, Fu & Li index. These parameters were calculated in MN
and MS clades (mainly found in the North or in the South of the barrier positioned between
7°25’S-14°S) providing that a fixed divergence was found in the considered gene. Because
Sulfo2 did not display divergent clades, these parameters were calculated in each part of
the barrier, respectively.
φ st values correspond to levels of differentiation between the Northern and Southern
populations located from each part of the barrier.
*: P< 0.05, **: p

Chapitre 4
Tajima’s D and Fu & Li’s F* indexes estimated from MN and MS clades showed
significantly negative values for all genes in the south of the barrier (Table 4.9) whereas
departures were only detected at three loci (Lyso and Sulfo 1 and 2) in the MN clade.
Moreover, levels of significance of the Fu & Li’s tests, which are more sensitive to
demographic events, were similar or lesser than for Tajima’s tests when performed for the
North clade. The multi-locus HKA test performed using all genes except Sulfo2, showed a
significant departure to neutral evolution (P = 0.0004) in both the MN and MS clades,
indicating that at least one gene could be under selection. Sulfo 1 displayed the highest
divergence and polymorphism deviation when compared to other genes. When Sulfo 1 was
deleted from the dataset, the HKA test conformed to the model of neutral evolution (P =
0.2812). This gene displayed a polymorphism/divergence ratio of 8.66: a value that is more
than eight times greater than the expected one (1.05) with a very low divergence between
B. thermophilus and B. azoricus, a characteristic of balancing or purifying selection. In the
Northern clade, likelihood ratio tests (LRT) performed by the Sweep_bott analysis (Table
4.10) also revealed departures to the neutral hypothesis (neutral model M1 was
significantly different from the bottleneck M2 and selective sweep model M3) but did not
allow to choose between the two last hypotheses. However, when looking at genes
separately, the Lysozyme was the only gene displaying a significant LRT between M1 and
M3 both in Northern and Southern clades. This indicated that M3 should be more probable
than M2 with a moderate selective sweep on Lyso. In the South, LRT also showed that M2
and M3 should be more appropriate than M1 (Table 4.10). Similarly, M3 better explained
sequence datasets when compared to M2, and indicated the occurrence of, at least, two
departures to neutral expectation (sweep and/or bottleneck) in the South. When looking at
genes more specifically, the only gene that conformed to the neutral coalescent was Sulfo
2. The two remaining loci displayed significant LRTs whereas Sulfo1 was not used
because of its lack of structure (only one highly-frequent allele surrounded by derived
singletons). Moreover, the very low sample size of Sulfo 2 questioned the significance of
the test (lack of power) in retaining alternative models suggesting that the bottleneck (M2)
model could be valid in the southern clade.
192

Chapitre 4
Table 4.10 Likelihoods and likelihood ratio test (LRT) computed via sweep_bott to
discriminate selective sweep to bottleneck in Northern and Southern EPR.
M1, neutral model; M2, bottleneck model; M3, selective sweep model; NS, nonsignificant.
Significances of the LRT were tested according to a χ2 table.
Likelihood SAHH Lyso Sulfo1 Sulfo2
North
M1 -138.255 -40.107 -52.684 -27.066 -18.398
M2 -132.459
M3 -129.096 -39.301 -48.558 -25.554 -15.683
LRT
(significance)
1.612 (NS) 8.252 (2.5%) 3.024 (NS) 5.430 (NS)
M2-M1: 11.518 (0.5%)
M3-M1: 18.312 (2.5%)
M3-M2: 6.726 (NS)
South
M1 -135.190 -56.247 -60.755 - -18.187
M2 -117.380
M3 -103.950 -46.785 -40.955 - -16.210
LRT
(significance)
M2-M1: 35.619 (0.5%)
M3-M1: 62.480 (0.5%)
M3-M2: 26.861 (0.5%)
18.924 (0.5%) 39.600 (0.5%) - 3.954 (NS)
Migration across the geographical barrier
To test for the permeability of the barrier itself, migration rates between the
northern and southern parts of the EPR after positioning it between 7°25’S and 14°S were
estimated using the software Migrate_n. Because very few individuals got a multiloci
genotype, runs were performed for each nuclear gene, separately. As previously shown
from Migrate_n computations on the mtCOI (Plouviez et al 2009), migration across the
barrier was clearly asymmetrical with direction depending on the gene under scrutiny
(Table 4.11). The genes SAHH and Sulfo1 however displayed migration rates very close to
zero, suggesting that these two genes are exchanging very few alleles across the barrier.
Several introgressed SAHH alleles coming from the North clade were however recaptured
in individuals of the south clade at 14°S, suggesting that a low migration occurs from
North to South for this gene.
193

Chapitre 4
Table 4.11 Migration rates across the 7°25’S-14°S barrier using the software
Migrate_n.
N/S, North to South; S/N, South to North; θ N , Theta in the North group; θ S , Theta in the
South group; MLE, Maximum-likelihood Estimates; P, percentile.
Loci 4Nm N/S 4Nm S/N θ N θ S
SAHH
MLE 1.28 1.59 10 -12 0.007 0.032
P 0.005 0.18 7.96 10 -13 0.003 0.017
P 0.995 4.03 0.49 0.015 0.054
Lyso
MLE 36.56 0.23 0.008 0.026
P 0.005 22.63 3 10 -3 0.006 0.016
P 0.995 54.63 1.43 0.012 0.048
Sulfo1
MLE 4.74 10 -11 1.39 0.028 0.021
P 0.005 2.37 10 -11 0.14 0.015 0.014
P 0.995 0.83 4.76 0.052 0.033
Sulfo2
MLE 4.59 10 -8 20.85 0.048 0.030
P 0.005 2.30 10 -8 3.29 0.006 0.014
P 0.995 2 10 -4 41.11 242.50 0.044
Detection of N/S individuals using the SAHH gene
Because of its strong divergence across the 7°S-14°S barrier, the nuclear gene SAHH was
choosen to quantify the level of N/S individuals within populations over the whole EPR. A
RFLP analysis on a fixed substitution in the divergence of the SAHH gene between the
geographic regions revealed that only 13 individuals displayed at least one nuclear allele
corresponding to the North clade in the South EPR. Except one individual showing two
Northern type alleles in the South, all the remaining individuals possessed both the
Northern and Southern type alleles. N/S individuals were mainly located at 14°S and
decreased abruptly in frequency further south (Fig 4.19). None were detected at 7°25S and
further North. When looking at the southern mt lineage, N/S individuals were not
associated with a specific haplotype: the Northern type alleles in SAHH being found both
in MN and MS mtCOI lineages whereas the Southern one was only restricted to the MS
mtCOI lineage.
194

Chapitre 4
Fig 4.19 Detection of individuals with both North and South type alleles in SAHH or
allele type that did not correspond in geographic position across the barrier using
RFLP analyses.
Testing the hypothesis of Isolation with migration between mt lineages
In contrast to the Migrate_n analysis performed on groups of populations (testing
the strength of the physical barrier), the isolation with migration model was tested between
the two main mitochondrial lineages (MN, MS), these lineages being mixed over the whole
southern EPR. This analysis was done to estimate the level of allele introgression between
the two previously isolated clades. Model parameters estimated by IMa (θa, θ1, θ2, t, m1
and m2) are presented in Table 4.12.
195

Chapitre 4
196

Chapitre 4
Divergence time between the two mt lineages displayed the highest likelihood
values around 1.3 Mya (Fig. 4.20). The southern lineage has a greater population size than
those of the ancestral lineage and the northern one (Fig. 4.20), suggesting a population
expansion of the MS lineage. The multilocus estimates of m1 (=0.055) and m2 (=0.025)
parameters showed an asymmetric migration from MN to MS lineages (Table 4.12, Fig.
4.20). Because population size of the MN lineage was lower than that of the MS lineage,
effective migration rate per generation from MN to MS was lower than in the other sense
(Table 4.12).
197

Chapitre 4
A
B
C
Fig 4.20 Marginal posterior probability distribution for divergence time between
lineages (A) effective population sizes of the ancestral population and its two derived
ones (B) and directional gene-flow rates between the two mt lineages (C), estimated
by the isolation with migration model IMa.
Parameters correspond in those from the Table 4.12.
198

Chapitre 4
The gene-to-gene approach confirmed this asymmetric migration sense. Indeed,
three nuclear genes (Lyso, Sulfo1, Sulfo2) displayed non-null values of m1 whereas m2
peak was found to be zero (Table 4.13, Fig 4.21). SAHH gene showed a m1 value close to
zero (however, the non logarithmic curve shape could indicate few hybrids) but a m2 value
slightly greater than m1. Values of the mean time of gene flow events were estimated
between 2000 and 391000 years, and were thus much more recent than the 1.3 My value
estimated as a starting point for the isolation of the mtCOI lineages (Table 4.13, Fig 4.21).
Table 4.13 Levels of migration across lineages (m) and maximum of the mean time of
migration events (mtime) obtained by IM analyses out of 5 loci.
(1) and (2) correspond to MN and MS, respectively. m1, migration from MN to MS and
m2: migration from MS to MN.
Locus m1 m2 mtime1 (million) mtime2 (million)
COI 0 0 - -
SAHH 0 1 - 0.011
Lyso 2 0 0.391 -
Sulfo1 1 0 0.002 -
Sulfo2 1 0 0.020 -
199

Chapitre 4
A
B
Fig. 4.21 IM single locus probability distributions of hybridization rate (m) for each
5 loci for North to South (A) and South to North (B).
200

Chapitre 4
Testing the hypothesis of diversifying selection across the barrier
Estimations of Δθ between Northern and Southern clades were distributed within
the 95% confidence envelope obtained for all tested genes when simulating a structured
coalescent following a classical model of allopatric isolation (Fig. S2, Supplementary
material). Observed differences between clade diversities were therefore not significantly
different from those expected by the isolation model without bottleneck and therefore do
not support assumptions about either diversifying selection acting between MN and MS
clades or about recent demographic changes on one side of the barrier. mtCOI was the only
gene yielding a Δθ value in a probability class closest to the 5% threshold.
201

Chapitre 4
Discussion
Geographic position of a barrier to gene flow
One-dimensional but highly fragmented habitats such as deep-sea hydrothermal
vents represent an ideal model to test for stepping-stone or isolation-by-distance models of
populations (Vrijenhoek 1997). However, hydrothermal activity is also ephemeral and
moves along the ridge axis depending on the dynamics of the underneath magmatic
chamber and its derived heat convection (Watremez & Kervévan 1990, Kervévan 1991).
This leads to massive fauna extinction at the scale of a given vent field (Haymon et al
1991, Tunnicliffe et al 1997, Marcus et al 2009) able to seriously alter expectations of such
population models (Jollivet et al 1999). Because of its unpredictable nature and the level of
fragmentation, one would expect that vent species should develop high dispersal
capabilities. However, most vent species exhibit internal fertilization of eggs and a
lecithotrophic development of the larva typifying short-term dispersal ability (Chevaldonné
et al 1997, Tyler and Young, 1999, Jollivet et al 2000, Marsh et al 2001). Paradoxically,
genetic structures that fit the isolation-by-distance model were very scarce and often
related to the presence of at least one geographic barrier (cf the Hess Deep triple junction:
see France et al 1992, Black et al 1994, Jollivet et al 1995, Vrijenhoek 1997). On the
contrary, many species, such as the polychaete Alvinella pompejana (Jollivet et al 1995),
the bivalve Bathymodiolus thermophilus (Craddock et al 1995) or the gastropods
Lepetodrilus pustulosus and Eulepetopsis vitrea (Craddock et al 1997) displayed a lack of
geographic structure and were supposed to follow an island-like model of dispersal
suggesting great dispersal capabilities.
Species from the deep-sea Bathymodiolus genus has thus been previously described
as a challenger for long-distance dispersal. For example, occurrence of amphi-Atlantic
species with virtually no genetic divergence, suggested that present gene flow may still
occur across the Atlantic (Olu-LeRoy et al 2007). Absence of genetic differentiation was
also reported at the scale of the Gulf of Mexico between populations from the Mississippi
Canyon and Alaminos Canyon, 550 km apart, by Carney et al (2006) for the seep species
B. childressi. On the EPR, Craddock et al (1995) also showed a lack of isolation-bydistance
for B. thermophilus when comparing allozyme distributions between the Northern
EPR and the Galapagos sites, and subsequently concluded about extended dispersal
capabilities of the mussel.
202

Chapitre 4
However, this latter conclusion was recently challenged by Won et al (2003) and
Plouviez et al (2009), who reported the presence of a genetic break between the Southern
and the Northern parts of the EPR. These latter authors indeed suggested that the abrupt
change in the frequencies of mitochondrial haplotypes was mainly due to a barrier to gene
flow that should be attributable to either strong westward cross-axis currents (Won et al
2003) or the formation of the Discovery/Gofar transform fault complex (Plouviez et al
2009). Precise location of such a barrier was difficult to estimate because of the presence
of a clinal distribution of the three main mtCOI haplotypes (Plouviez et al 2009) but it was
suggested occurring between 7°25S and 14°S. In the present study, allozyme loci failed to
display significant genetic differentiation between 7°25S and the most southern sites, and
thus were in agreement with previous results on the North EPR. On the contrary, the
distribution of two sets of divergent alleles at four nuclear genes confirmed the 7°25’S-
14°S position of a barrier with significant differentiation (φ st ) values in all genes between
these two regions. Moreover, this geographic break also corresponds to a strong
divergence between two clades of alleles in the SAHH gene. A similar north/south
distribution of clades starting from 7°25S is also depicted in the gene Sulfo1 but with a
very low divergence between these two groups of alleles. Two divergent clades are also
observed in the gene Lyso but these two sets of alleles are well mixed within populations
over the whole EPR. A 1bp-indel was however observed only restricted to the south of the
barrier for both allelic clades indicating that alleles from the two clades has recombined in
the South and that the barrier is nearly impermeable for newly appeared mutations, at least
for this gene.
The isolation with migration model revealed a 1.36 My divergence time between the MN
and MS lineages. These results are consistent with the dating of the ∼1.3 Mya splitting
event occurring between Northern and Southern EPR estimated from the multi-species
approach (Plouviez et al 2009), and hypothesised to be due to the formation of a multiple
transform fault complex about 1-2 Mya at these latitudes (Kureth & Rea 1981, Naar & Hey
1989, Francheteau et al 1990). However, although the geographic location of the barrier
was difficult to position using mitochondrial markers (Plouviez et al 2009), the use of
multiple nuclear loci allowed here to locate this barrier more precisely between 7°25’S and
14°S. A strong westward flow of He-3 centered at 15°S (Lupton & Craig 1981, Lupton
1998) was hypothesized to mimic a strong anticyclonic circulation across the Southern
EPR (Fujio & Imasato 1991). If this deep water-masse circulation could have primarily
reinforced isolation between Northern and Southern EPR, putative fluctuations in the
203

Chapitre 4
strength and orientation of the water movements could have also played a crucial role in
allowing transient genetic exchanges across the barrier, particularly for species capable of
reaching the upper water column, such as Bathymodiolus (Arellano & Young 2009).
Evolutionary forces at play around the barrier, however pose questions about the evolution
of the allopatric separation of the two lineages. Indeed, if gene flow is impeded by
transform faults, then one should expect that the isolation process will be progressively
reinforced by the axis off-set. Most of the present allele distributions would therefore be
due to past gene flow: a situation that fits well with IM mean time of gene flow events for
the Lyso gene and the stop of the 1bp indel mutation spread to the northern EPR.
Conversely, if gene flow is impeded by strong transversal currents, then sporadic
exchanges are expected and allow a transient secondary contact zone between 7°25S and
14°S: a situation well depicted by the mt haplotypes admixture in the North and the
presence of SAHH N/S individuals at 14°S and 17°25S and Sulfo 1 and 2. However,
migration between genomes seems to have occurred in two very different periods of time
since the splitting of the two mt lineages. Indeed, mean time of migration events (mtime)
obtained by IM were much more ancient for the gene Lyso (about 400 000 years) than for
the others genes for which mtime are close to present.
Permeability of the barrier and subsequent introgression
Permeability of the equatorial barrier was already proposed by Plouviez et al (2009)
because of the lack of reciprocal monophilies between northern and southern lineages of
several taxa when using mtCOI. In Bathymodiolus, the two divergent mtCOI lineages were
mixed in populations of the northern EPR and displayed, at least, a clinal distribution for
the southern lineage (about 0.25 in the northern populations), suggesting a secondary
contact in the North following the geographic isolation. Such a haplotype admixture was
not detected in the Atlantic despite extensive allele introgressions between nuclear
genomes of both B. puteoserpentis and B. azoricus species (Faure et al 2009). In the EPR,
the geographic location of the secondary contact zone seems however to vary among
studied genes with an ancient gene flow but a lack of ongoing gene flow in the Lyso gene,
whereas a weak secondary contact occurred in the South for the SAHH gene (hybrids only
found from 14°S to 17°34’S) and in the North for the mtCOI gene (two lineages in the
North). These findings may therefore suggest that larval dispersal must be mostly
orientated from South to North (orientated water masse circulation) but selection against
204

Chapitre 4
hybrids may be also more severe in the northern EPR. Differences in the strength of
selection against hybrids from each part of the barrier can thus explain discrepancies
between loci when dispersal is asymmetric (e.g. Barton & Hewitt 1985). Present results
using Migrate_n computations confirmed such a trend with 2 locus favouring migration
from South to North (a situation similar to that of the mitochondrial marker) and 2 locus
favouring migration in the opposite direction. Interestingly loci favouring the South to
North direction were the sulfotransferase loci both involved in the significance of the
multi-loci HKA test and thus suspected to endure a selective sweep. This is in agreement
with previous findings showing that hybrid populations effectively filter gene flow
between previously isolated lineages via adaptive introgression (Martinsen et al 2001).
However, in this particular case, we cannot rule out the hypothesis that the gene is
evolving very slowly and just under a parapatric process of differentiation. Indeed, since
the sweep_bott software failed to detect a selective sweep, results from the HKA test may
simply reflect strong purifying selection in the divergence between the Pacific and the
Atlantic Bathymodiolus species, Sulfo 1 and 2 genes having virtually no mutation
accumulated in the divergence.
Detection of past hybridization/introgression events between mt clades using IMa
computation indicated that allele introgression between the two genomes was mostly
orientated from North to South (m1>m2). Again, this finding fits well with the hypothesis
of a moving hybrid zone and/or a density-dependent introgression, in which allele transfer
is more likely to occur in the species having the greatest range expansion (Barton 1986,
Johannesen et al 2006). With the exception of the Lyso gene, allele introgression between
clades was in the opposite direction when compared to the migration orientation detected
by Migrate_n for all genes and conform to the hypothesis that the spread of newly arriving
alleles is delayed by a strong selection against hybrids in the receiving lineage (Nagylaki
1975, Barton 1979, Barton & Hewitt 1985). On the opposite, because the gene Lyso was
the only locus that displayed significantly negative Tajima’s D and Fu & Li tests and
significant LRT for partial selective sweeps (sweep_bott) in both sides of the barrier, one
can propose that an advantageous allele swept in the Northern EPR and subsequently
spread across the barrier in the Southern part of the EPR. Favourable mutations (or alleles
from loci linked to them) can rapidly sweep (or be entrained by genetic hitch-hikking) into
the whole metapopulation when the barrier to gene flow became more permeable (e.g.
Barton 2000, Santiago & Caballero 2005). Such a process was recently shown between the
two hybridizing blue mussels Mytilus edulis and M. galloprovincialis for which genetic
205

Chapitre 4
hich-hikking at a nuclear gene has been demonstrated across the Lusitano-Boreal transition
zone (Faure et al 2008). The Lyso gene also displayed the highest mean time of gene flow
(mtime) suggesting that the introgression may be much older than the other studied genes
The fact that strong allele recombination between the two divergent clades have been
detected and especially in the northern part of the EPR (see Fig. 4.17) strengthens this
evolutive scenario since inter-lineage recombination must be old enough to allow newly
recombined alleles to reach a high enough frequency to be sampled.
Testing the ‘Population expansion in the south’ hypothesis from a multiloci dataset
Expansion of the southern populations after the isolation process was already
hypothesized from the multi-species approach because significant negative Tajima’s D
were only found in the Southern lineage of all species (Plouviez et al 2009). Such an
assumption however requires to be also tested using a multigene approach. From our
present dataset, Tajima’s D and Fu & Li F* indexes of nuclear genes are all significantly
negative in the southern clade and, thus in accordance with the expansion hypothesis.
However, while smallest, some genes also displayed significant negative values at these
indexes in the northern clade. A more sophisticated likelihood method was thus used to
discriminate between a selective sweep model and a bottleneck model (see: Galtier et al
2000). The Sweep_bott test gave interesting information about sweep versus bottleneck
hypotheses. Departures to the mutation/drift equilibrium under neutrality were detected
both in Northern and Southern clades and found compatible with either a bottleneck or a
selective sweep model. Even if it was not possible to discriminate between a bottleneck
and a sweep in the Northern clade, only one gene (Lyso) displayed a significant departure
to the neutral model. Because selection is expected to impact very few genes while
demography affects the whole genome (Hudson et al 1987, Galtier et al 2000), this result
suggests that the population from the North EPR was not subjected to a bottleneck after the
isolation event (ca 1.3 Mya). Such a scenario is in good agreement with Tajima’s and Fu &
Li’s tests and also supports previous works on COI polymorphisms associated with other
vent taxa collected in the same area (Plouviez et al 2009). On the contrary, likelihood ratio
tests in the South indicated the probable occurrence of, at least, two departures to neutral
hypothesis (SAHH and Lyso) and a lack of polymorphism at the Sulfo1 loci (only one
highly frequent allele and a few singletons). With the exception of Sulfo2, all genes
206

Chapitre 4
(including COI) were not following a neutral model of mutation accumulation in the
polymorphism with a significant excess of rare variants typifying a situation of an
expanding population. This result fits well with the Isolation with Migration model results
suggesting that the Southern clade has a much greater effective population size than those
of the Northern one and the ancestral population: a situation also encountered in the mid-
Atlantic Ridge for the Bathymodiolus mussels (Faure et al 2009).
Present results using nuclear genes thus confirmed the hypothesis of a Southern
demographic expansion in the EPR as previously proposed by Plouviez et al (2009) using a
comparative phylogeography approach among co-distributed species. The greatest tectonic
instability of this region and its subsequent higher extinction rate when compared with the
North province could explain why such a bottleneck was only detected in the South. The
supposedly more probable migration route from South to North (mt haplotypes admixture
in the North) obtained from the multi-loci analysis and the relative strength of the 7°25S-
14°S barrier reinforces this scenario as it seems to prevent the progressive and stepwise
colonisation of the southern EPR by populations from the north: a scenario that would
have also led to an expanding phase.
Acknowledgments
We thank the chief scientists and ‘Nautile’ and ‘Alvin’ crews for their technical support
and efforts during the oceanographic expeditions: HOT96 and BIOSPEEDO2004. We are
very grateful to Claire Daguin-Thiébaut and Frédérique Viard for collecting/preserving
mussels during the BIOSPEEDO cruise. We are also truly indebted to the sequencing
genomic plateforms: GENOMER (Station Biologique de Roscoff, France) and
GENOSCOPE (Evry, France) for the sequencing of the mtCOI fragment and our clone
collections, respectively. This work was supported by the GDR Ecchis and the ANR-06-
BDV-005 (Deep Oases: coord. D. Desbruyères). We also want to thank A. Tanguy for his
contribution to the B. azoricus cDNA library construction, which provided exonic
sequences for the nuclear genes and the ‘Bivalvomix’ GIS programme (coord. N. Bierne)
that partly supported the sequencing costs of the library together with the Marine
Genomics Europe NoE. S. Plouviez and B. Faure were supported by a PhD grant from the
Université Pierre et Marie Curie and Marine Genomics Europe NoE (Fish & Shellfish
node), respectively.
207

Chapitre 4
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212

Chapitre 4
Supplementary material.
S1: Allele frequencies of enzyme loci for B. thermophilus populations of each vent
field of the SEPR.N, population size; H exp, expected heterozygosity; H obs, observed
heterozygosity.
7°25’S 14°S 17°25’S 17°35’S 18°33’S 21°33’S
Pgm
(N) 10 38 137 23 33 103
Allele
64 0 0 0.0036 0 0 0
74 0.05 0.0132 0.0109 0 0.0455 0.0194
81 0.7 0.5789 0.5219 0.5652 0.5758 0.5194
85 0 0 0.0036 0 0 0.0146
89 0.25 0.3816 0.4307 0.3696 0.3636 0.4223
95 0 0.0263 0.0292 0.0652 0.0152 0.0243
H exp. 0.445 0.5184 0.5412 0.5397 0.534 0.5507
H obs. 0.5 0.5789 0.5255 0.6087 0.3636 0.4272
Mpi
(N) 10 38 137 23 33 103
Allele
100 0.05 0.0395 0.0182 0.0435 0 0
120 0.95 0.9474 0.9781 0.9348 1 0.9903
140 0 0.0132 0 0.0217 0 0.0097
160 0 0 0.0036 0 0 0
H exp. 0.095 0.1008 0.043 0.1238 0 0.0192
H obs. 0.1 0.1053 0.0438 0.087 0 0.0194
Odh
(N) 10 38 137 23 33 103
Allele
60 0 0.0658 0.0073 0 0.0303 0.0097
80 1 0.9342 0.9526 1 0.9545 0.9612
100 0 0 0.0401 0 0.0152 0.0291
H exp. 0 0.1229 0.091 0 0.0877 0.0752
H obs. 0 0.1316 0.0949 0 0.0909 0.0777
Lap
(N) 10 38 137 23 33 103
Allele
75 0 0.0132 0 0 0 0.0049
82 0.9 0.7632 0.719 0.7609 0.7879 0.7233
90 0 0.0132 0.0073 0 0.0303 0.0097
100 0.1 0.2105 0.2482 0.2174 0.1364 0.233
110 0 0 0.0255 0.0217 0.0455 0.0291
H exp. 0.18 0.3729 0.4208 0.3733 0.3577 0.4216
H obs. 0.2 0.3684 0.4088 0.3043 0.303 0.4078
213

Chapitre 4
7°25’S 14°S 17°25’S 17°35’S 18°33’S 21°33’S
Gpi
(N) 10 38 137 23 33 103
Allele
88 0 0.0132 0.0219 0.0435 0 0
100 0 0 0 0 0 0.0049
112 0.85 0.9605 0.938 0.8913 0.9545 0.9466
116 0.05 0 0 0 0 0
120 0.1 0.0263 0.0401 0.0652 0.0455 0.0485
H exp. 0.265 0.0765 0.1181 0.1994 0.0868 0.1016
H obs. 0.3 0.0789 0.1095 0.2174 0.0909 0.1068
Mdh low
(N) 10 38 137 23 33 103
Allele
74 1 1 0.9927 1 1 1
100 0 0 0.0073 0 0 0
H exp. 0 0 0.0145 0 0 0
H obs. 0 0 0.0146 0 0 0
Mdh high
(N) 10 38 137 23 33 103
Allele
100 0 0.1711 0.073 0.0217 0.2727 0.1019
120 1 0.8289 0.927 0.9783 0.7273 0.8981
H exp. 0 0.2836 0.1353 0.0425 0.3967 0.1831
H obs. 0 0.3421 0.146 0.0435 0.5455 0.2039
Hk
(N) 10 38 137 23 33 103
Allele
70 0.05 0 0.0036 0.0217 0 0
100 0.9 1 0.9964 0.9783 1 1
130 0.05 0 0 0 0 0
H exp. 0.185 0 0.0073 0.0425 0 0
H obs. 0.2 0 0.0073 0.0435 0 0
214

Chapitre 4
S2 : Observed delta theta of studied genes in the distribution simulated under neutral
hypothesis
215

Chapitre 4
4.3. L. elevatus
4.3.1. Introduction
Le complexe d’espèces L. elevatus situé sur l’EPR, compte deux espèces
majoritairement abondantes divergentes de 6,5% sur le gène mtCOI (Matabos et al
2008b) : L. elevatus McLean (appelée espèce Nord dans notre étude) distribuée de 21°N à
9°50’N et une seconde espèce (que nous appellerons espèce Sud) de 9°50’N à 23°S
(Johnson et al 2008, Plouviez et al 2009). Le site 9°50’N constitue donc une zone de
sympatrie entre ces deux espèces cryptiques, mais l’espèce Sud y est majoritaire. Cette
distribution géographique suggère une spéciation allopatrique de ces deux espèces, datée à
environ 11,6 Ma et probablement située entre 13°N et 9°50’N, coïncidant temporellement
et spatialement avec la réorientation de la ride Mathématicienne (Mammerickx & Klitgord
1982, Plouviez et al 2009). Le processus de spéciation a pu se renforcer par une spéciation
écologique, l’espèce Nord étant trouvée principalement en association avec les
siboglinidae Riftia pachyptila et l’espèce Sud avec les moules hydrothermales B.
thermophilus. Néanmoins, la séparation des 2 espèces n’est pas complète, des individus
hybrides ayant été détectées à 9°50’N à partir d’un génotypage allozymique (Matabos et al
2008b). Le statut d’hybride entre ces espèces cryptiques n’a pour l’instant pas été évalué
de façon certaine car les individus séquencés sur l’ADN mitochondrial ne correspondaient
pas aux individus génotypés en allozymes. Une telle approche mériterait d’être effectuée
en élargissant le champ d’investigation géographique à l’ensemble de l’EPR. De plus, le
second événement de vicariance plus récent (1,3 Ma) observé pour toutes les espèces entre
les populations sud et nord de l’EPR semble avoir également impacté l’espèce Sud de L.
elevatus à l’équateur, en séparant la population de 9°50’N des autres populations situées
plus au sud. Cet effet est observable en comparant les séquences du gène mtCOI entre
individus de la lignée sud. La mise en place d’une barrière secondairement à la séparation
des espèces de L. elevatus pourrait jouer un rôle fondamental dans la dynamique
d’hybridation des espèces, notamment en termes de longueur de la zone d’introgression et
nécessite une attention particulière.
Nous avons ainsi utilisé, en plus du gène mtCOI, trois gènes nucléaires séquencés
sur des individus répartis de 21°N à 21°S, afin de mieux comprendre le rôle des barrières
216

Chapitre 4
(physique et génétique) 13°N-9°50N et 9°50’N-7°25S dans la structuration du complexe
d'espèces et la dynamique d'hybridation.
4.3.2. Gène mitochondrial COI
4.3.2.1. Doubles pics sur les chromatogrammes mtCOI de certains
individus
Sur l’ensemble des individus séquencés le long de l’EPR, six individus appartenant
à la zone de contact entre les 2 espèces cryptiques (9°50’N) présentaient des profils de
séquences COI atypiques. En effet, si les autres individus présentaient des
chromatogrammes clairs correspondant à l’une ou l’autre des lignées mtCOI, les
chromatogrammes de ces 6 individus (séquencés en direct) comptaient des doubles pics
suggérant l’amplification de 2 haplotypes (Fig. 4.22). Bien que des exceptions existent
(e.g. Skibinski et al 1994 ; Zouros et al 1994), le génome mitochondrial est théoriquement
hérité uniquement par la voie maternelle et ne devrait donc pas présenter de tels profils. De
plus, les doubles pics observés correspondent systématiquement aux pics attendus pour les
mutations fixées de chacune des 2 espèces. Ainsi, ces individus présenteraient à la fois
l’haplotype de l’espèce nord et l’haplotype de l’espèce sud.
217

Chapitre 4
Fig. 4.22 Portion de chromatogramme présentant des doubles pics correspondant
respectivement à une base fixée chez l’espèce Nord (indexée en bleu sous le
chromatogramme) et une base fixée chez l’espèce Sud (indexée en rouge).
Pour nous assurer de la présence de ces 2 types de mitochondrie et valider
l’hypothèse d’hétéroplasmie chez ces 6 individus ‘hybrides’, nous avons cloné leur produit
de PCR (clonage individuel). Les clones repiqués (8 par individus lorsque les conditions le
permettaient) sont ensuite amplifiés via des amorces plasmidiques selon le protocole décrit
en annexe 3. Une digestion enzymatique de l’ADN (1 µl d’enzyme de restriction Sac1 à
une concentration de 20U/µl, 2,5 µl de tampon 10X associé à cette enzyme, 5 µl de produit
de PCR, réalisée sur les clones repiqués, et 12,5 µl d’H 2 0, 3h à 37°C) permettant de
générer des patrons RFLP discriminant les mitochondries de type nord et sud, a ensuite été
réalisée sur ces clones repiqués. Ces individus présentaient bien les 2 types de profils de
RFLP (Fig. 4.23).
Exemples de profils
mitochondrial de type
espèce Nord
Exemples de profils
mitochondrial de type
espèce Sud
218
Fig. 4.23 Visualisation sur gel d’agarose des deux types de profil RFLP sur les 8
clones d’un individu présentant les deux types de mitochondrie.
Chaque puit correspond un profil RFLP réalisé sur un clone repiqué.

Chapitre 4
Nous avons séquencé alors les clones correspondant à ces 2 profils RFLP, vérifiant
ainsi qu’ils correspondaient bien aux profils mitochondriaux des 2 espèces cryptiques. Les
2 types de mitochondries sont donc bien amplifiés pour ces 6 individus échantillonnés à
9°50’N à chromatogramme ambiguë. Bien que les témoins négatifs de PCR soient sans
ambiguïté, une seconde PCR et un second séquençage en direct de ces individus ont été
réalisés afin d’éliminer de possibles contaminations de produits d’amplification (lors de la
purification). Les mêmes résultats ont été obtenus (remarque : ces individus n’ont pas été
utilisés dans Plouviez et al 2009).
4.3.2.2. Hypothèse de double hérédité mitochondriale
En général, l’ADN mitochondrial des animaux est exclusivement hérité
maternellement (Birky 2001) et toutes les cellules d’un même organisme présentent la
même copie de cet ADN, hormis quelques rares mutations (homoplasmie). Cependant,
certaines espèces comptent parfois plusieurs ADN mitochondriaux au sein d’une même
cellule : c’est l’hétéroplasmie. L’ensemble des ADN mitochondriaux au sein d’une cellule
peut alors être considéré comme une population. Un ADN mitochondrial mutant pourra
ainsi, par dérive, transmettre son ADN à une cellule fille (issue de la réplication de la
cellule initiale) et donc, si cette mutation est délétère, diminuer la valeur sélective de cette
cellule (moins de mitochondries fonctionnelles, Breton et al 2007). L’ADN mutant entrera
ainsi en compétition, lors de sa réplication, avec les ADN non-mutants. Des processus de
sélection contre les mutants mitochondriaux incapables d’effectuer la phosphorylation
oxydative ont ainsi été mis en évidence chez la levure (Reid 1980, Birky 1995). L’hérédité
parentale unique est un mécanisme qui est supposé avoir été favorisé car elle permettrait
d’éviter ces conflits intracellulaires (Rand 2001). Cependant, certaines espèces présentent
une double hérédité mitochondriale, notamment les moules marines de l’ordre des
Mytiloida, les moules d’eau douces de la superfamille des Unionoidea ou les palourdes de
l’ordre des Veneroida (e.g. Skibinski et al 1994, Liu et al 1996, Passamonti & Scali 2001).
La présence de deux mtCOI appartenant chacune à une espèce cryptique différente semble
donc indiquer que L. elevatus peut également, au moins chez certains hybrides,
probablement la génération F1, présenter une double hérédité parentale.
219

Chapitre 4
L’hybridation entre espèces différentes peut avoir des conséquences sur l’hérédité
parentale (Wood et al 2003). En effet, chez Mytilis edulis et M. galloprovincialis, la double
hérédité maternelle est généralement présente chez les mâles adultes alors que la
mitochondrie mâle est éliminée chez les femelles (même si elles peuvent subsister dans
certains tissus des femelles, Dalziel et al 2002, Breton et al 2007). Cependant, les mâles
hybrides entre ces deux espèces, avec une mitochondrie mâle provenant de M. edulis et
une mitochondrie femelle de M. galloprovincialis, élimineront plus aisément la
mitochondrie mâle qu’un croisement issu de lignées pures (Wood et al 2003). Au contraire,
les mâles hybrides ayant une mitochondrie mâle issue de M. galloprovincialis et une
mitochondrie femelle de M. edulis conserveront plus facilement la mitochondrie mâle que
chez les M. galloprovincialis non hybrides (Wood et al 2003). Les chromatogrammes des
L. elevatus non hybrides ne présentant pas de double pic apparent, nous pouvons ainsi
supposer que seuls les hybrides F1 possèderaient la double hérédité parentale, la
mitochondrie mâle étant très probablement éliminée chez les individus non-hybrides lors
de la ségrégation méiotique (à l’instar des femelles Mytilidae, Cao et al 2004) à la fois
chez les femelles et chez les mâles. Bien que nécessitant de plus amples études,
l’hybridation entre les deux espèces cryptiques pourrait avoir favoriser le maintien de la
lignée mitochondriale mâle chez certains hybrides, comme chez les M. galloprovincialis
mâles hybrides (Wood et al 2003). Ceci reste néanmoins une hypothèse à tester.
4.3.3. Analyse des séquences nucléaires : hybridation et barrière(s) au(x) flux
de gènes
4.3.3.1. Recapture de séquences nucléaires
Le nombre d’individus recapturés pour chaque gène nucléaire est présenté dans le
tableau 4.14 (chaque individu ayant été séquencé sur le mtCOI). Le faible nombre de
séquences recapturées pour le gène supposé unique de la Textilinine résulte de la
suppression de nombreuses séquences correspondant au(x) gène(s) paralogues coamplifié(s)
avec nos amorces (cf. Chapitre 2). De plus, nous n’avons pas réussi à amplifier
le fragment de ce gène chez les individus de la population 21°N. Il en résulte que seuls 10
individus ont été recapturés sur les trois gènes nucléaires, mais 60 ont été recapturés sur
deux de ces gènes.
220

Chapitre 4
Tableau 4.14 Nombre d’individus recapturés aux différents sites hydrothermaux.
N 3gènes et N 2gènes représentent le nombre d’individus recapturés sur les 3 gènes nucléaires
et sur 2 des gènes, respectivement.
Localité Lysozyme VDG3 Textilinine N 3gènes N 2gènes
21°N 11 8 0 0 6
13°N 18 16 9 1 12
9°50’N 20 23 10 6 14
14°S 11 13 1 1 8
17°25’S 11 11 3 0 8
17°35’S 12 6 0 0 4
21°33’S 19 10 5 2 8
4.3.3.2. Polymorphisme et divergence de séquences pour les 3 gènes
nucléaires étudiés
Le clonage ne permettant pas de recapturer les deux allèles de chaque individu, pour
limiter les biais dans les fréquences alléliques et simplifier la représentation des arbres
phylogénétiques, seule une séquence par individu a été utilisée pour l’ensemble des
analyses (jeux de données de qualité 3). Pour chaque gène, un arbre phylogénétique a été
construit selon la méthode d’agglomération des plus proches voisins (Neighbour Joining)
via le logiciel Mega 4.0 (Tamura et al 2007). Pour les gènes Lysozyme et VDG3, la
distribution des allèles a été réalisée au sein de chaque population selon leur clade
d’appartenance. La distribution allélique selon le clade d’appartenance n’a pas pu être
réalisée sur le gène Textilinine en raison du faible nombre d’individus recapturés au sein
de chaque site (généralement inférieur à 10 individus par site, Tableau 4.14).
Les allèles du gène Lysozyme (Fig. 4.24.A) peuvent être divisés en trois clades : le
clade 1 comptant l’ensemble des séquences des sites 21°N et 13°N (espèce Nord) tandis
que les séquences des individus provenant des sites 14°S à 21°33’S, sont distribuées dans
les clades 2 et 3. Les individus en provenance de la zone de contact 9°50’N, se distribuent
221

Chapitre 4
dans les 3 clades. La position du clade 3 dans l’arbre phylogénétique montre que ce clade
dérive directement du clade 2. Les clades 1-2, 1-3 et 2-3, présentent respectivement une
divergence de 0,5%, 0,9% et 0,2%. La distribution des clades au sein de chaque site (Fig.
4.24.B) révèle que :
(1) les populations des champs 21°N et 13°N sont composées uniquement du
clade 1,
(2) la population du champ 9°50’N compte des séquences des 3 clades avec
une majorité de séquences du clade 2,
(3) les populations des champs situés entre 14°S et 17°34’S présentent un
nombre à peu près égal de séquences des clades 2 et 3
(4) la population du champ 21°33’S est constituée presque exclusivement de
séquences du clade 3 (une seule séquence recapturée dans le clade 2).
Hormis les individus échantillonnés à 9°50’N, aucun individu ayant ses deux allèles
recapturés n’a été détecté hybride (i.e. 1 allèle dans le clade 1 et le deuxième dans le clade
2 ou 3). Les individus présentant deux allèles recapturés confirment la distribution
géographique observée sur le jeu de qualité 3. Quatre des six individus (9°50’N) présentant
les deux types de mitochondrie ont été recapturés. Parmi ces 4 individus, les deux allèles
n’ont été recapturés que pour 1 individu et sont distribués dans les clades 1 et 2,
respectivement. Pour les 3 autres individus n’ayant qu’un allèle recapturé, ces allèles se
distribuent dans le clade 1 pour deux individus et dans le clade 2 pour le troisième
individu.
222

Chapitre 4
A
B
Fig. 4.24 Arbre phylogénétique de qualité 3 (A) et distribution géographique des clades
(B) du gène Lysozyme.
Sur l’arbre phylogénétique :
En bleu, individus à mitochondrie de type ‘espèce Nord’. En rouge, individus à
mitochondrie de type ‘espèce Sud’. En noirs, individus à deux types de mitochondries.
Sur la distribution des clades :
Chaque couleur (bleue, rouge, jaune) correspond aux séquences échantillonnées dans les
clades (1, 2 et 3, respectivement) de l’arbre phylogénétique.
223

Chapitre 4
L’arbre phylogénétique des allèles du gène VDG3 (Fig. 4.25.A) révèle également 3
clades. Les divergences entre clades 1-2, 1-3 et 2-3 sont respectivement de 2,8%, 4% et
1,9%. Le clade 1 compte en majorité des séquences de la lignée mitochondriale Nord mais
également quelques allèles appartenant à la lignée mitochondriale Sud ou aux individus
ayant les deux types de mitochondrie. Au contraire, les clades 2 et 3 contiennent
uniquement des séquences recapturées de la lignée mitochondriale Sud (mais une séquence
de 13°N éliminée lors de la sélection aléatoire des séquences présentait une séquence de
type clade 3 et une mitochondrie de type Nord). La distribution des clades dans les
différentes populations (Fig. 4.25.B) révèlent que, si les 3 clades sont représentés en
fréquence variable dans la majorité des populations, seules des séquences du clade 1 ont
été échantillonnées à 21°N, 13°N et 17°25’S (hormis la séquence de 13°N échantillonnée
dans le clade 3 mais ayant été aléatoirement éliminée dans le jeu de données de qualité 3).
224

Chapitre 4
A
B
Fig. 4.25 Arbre phylogénétique (A) et distribution géographique des clades (B) du gène
VDG3.
Sur l’arbre phylogénétique :
En bleu, individus à mitochondrie de type ‘espèce Nord’. En rouge, individus à
mitochondrie de type ‘espèce Sud’. En noir, individus à deux types de mitochondries.
Sur la distribution des clades ;
Chaque couleur (bleue, rouge, jaune) correspond aux séquences échantillonnées dans les
clades (1, 2 et 3, respectivement) de l’arbre phylogénétique.
225

Chapitre 4
L’arbre phylogénétique des allèles du gène Textilinine peut être divisé en deux
clades qui divergent de 0,6% (Fig. 4.26). Le clade 1 contient l’ensemble des séquences des
individus échantillonnés à 21°N et 13°N, ces individus correspondant à la lignée
mitochondriale nord, plusieurs séquences d’individus de 9°50’N (appartenant à la lignée
mitochondriale sud ou ayant les deux types de mitochondrie) et une séquence de 17°25’S
appartenant à la lignée mitochondriale sud. Le clade 2 présente quant à lui uniquement des
séquences appartenant à la lignée mitochondriale Sud échantillonnées à 9°50’N et 21°33’S
et un allèle issu d’une lignée mitochondriale nord échantillonnée à 9°50N.
Localité N introg N
13°N 0 9
9°50’N 5 10
14°S 0 1
17°25’S 1 3
21°33’S 0 4
Fig. 4.26 Arbre phylogénétique du gène Textilinine et nombre d’individus introgressés
(tableau).
En bleu, séquences d’individus de mitochondrie de type espèce Nord.
En rouge, séquences d’individus de mitochondrie de type espèce Sud.
En noir, séquences d’individus présentant deux types de mitochondries (Nord et Sud).
N introg : nombre d’individus introgressés, N : nombre total d’individus
226

Chapitre 4
Les valeurs de différenciation génétique (φ st ) ont été calculées pour chaque gène sur
la totalité des populations puis entre paires de populations voisines pour les gènes
Lysozyme et VDG3 via le logiciel Arlequin 3.1 (Excoffier et al 2005). Pour le gène
Textilinine, le nombre de séquences recapturées pour le gène unique étant faible pour
certaines populations, les φ st ont été calculés en regroupant les populations suivant les
barrières aux flux de gènes détectées sur le gène mtCOI (13°N-9°50’N et à l’Equateur),
c’est-à-dire : (1) 13°N (les individus du site 21°N n’ayant pas pu être amplifiés), (2)
9°50’N et (3) 14°S à 21°33’S. La significativité de l’écart de chaque valeur de φ st vis-à-vis
de zéro est évaluée par un test de 1000-permutations par ce même logiciel.
Les φ st calculés pour chaque gène sur l’ensemble des populations sont significatifs
(φ st Lysozyme = 0,518***, φ st VDG3 = 0,235***, φ st Textilinine = 0,267***). Les φ st entre chaque
paire de populations voisines (Fig. 4.27) montrent, aux locus Lysozyme et VDG3 , 2 zones
de différenciation génétique significative, l’une située entre 21°33’S et 17°34’S, et l’autre
entre 9°50’N et 13°N. Le gène VDG3 présente également un φ st significatif entre les
populations de part et d’autre de l’Equateur (i.e. 9°50’N et 14°S), mais pas le gène
Lysozyme. Pour le gène Textilinine, les φ st calculés entre 13°N et 9°50’N (φ st = 0,007)
ainsi qu’entre 9°50’N et le Sud de l’EPR (φ st = 0,014) ne sont pas significatifs. Cependant,
le φ st entre 13°N et le Sud de l’EPR est significatif (p = 0,046*).
227

Chapitre 4
Fig. 4.27 Valeurs de φ st entre paires de populations voisines sur les gènes Lysozyme
(bleu) et VDG3 (rouge).
* p-value < 0,05 ; ** p < 0,01 ; *** p < 0,001
228

Chapitre 4
Les gènes nucléaires Lysozyme et Textiline présentant une forte ségrégation de leurs
allèles selon les deux types mitochondriaux, une étude des mauvaises assignations d’un
type mitochondrial à son ‘background’ nucléaire a été effectuée. Bien évidemment, il
s’agit d’une estimation biaisée par la recapture des allèles, les individus n’ayant pas été
vraiment génotypés aux locus nucléaires (allèles manquants). Un individu est alors
considéré introgressé si au moins un de ses allèles nucléaires est échantillonné dans un
clade ne correspondant pas à l’assignation de la lignée mitochondriale (e.g. mtCOI Sud et
un allèle dans le clade 1 pour le gène Lysozyme et/ou Textilinine). Le gène VDG3 ne
présentant pas une correspondance claire entre les clades et les lignées mitochondriales, il
n’a pas été utilisé pour cette estimation. Le nombre d’individus détectés hybrides ou
introgressés entre les deux espèces cryptiques est faible (7 individus soit 6%, Tableau
4.15). Ces individus proviennent en majorité (6/7) de la zone de contact 9°50’N (seul 1
Tableau 4.15 Nombre d’individus considérés introgressés, en comparant les clades
mtCOI aux clades des gènes Lysozyme et Textilinine, selon leur type mitochondrial et
leur latitude.
Nombre d’individus détectés introgressés/nombre d’individus considérés.
- : absence du type mitochondrial considéré (ou non échantillonné)
individu détecté introgressé à 17°25’S).
Latitude mtCOI Nord mtCOI Sud mtCOI Nord et Sud
20°N 0/11 - -
13°N 0/22 - -
9°50'N 1/2 3/14 2/5
14°S - 0/11 -
17°25'S - 1/10 -
17°34'S - 0/12 -
21°33'S - 0/19 -
229

Chapitre 4
4.3.3.3. Rôle des barrières aux flux de gènes dans la dynamique de
l’introgression
Le contact secondaire entre deux lignées divergentes géographiquement séparées
peut, lorsque la barrière reproductive n’est pas totale, donner lieu à de l’hybridation entre
ces lignées. Si la dispersion est suffisamment efficace et que les hybrides ne sont pas
contre-sélectionnés, cette remise en contact secondaire tendra vers une homogénéisation
génétique rapide de ces lignées. En revanche, un équilibre entre dispersion et sélection
contre les hybrides peut maintenir une zone d’hybridation de largeur variable (Barton &
Hewitt 1985). Ainsi, alors que la zone hybride entre les moules côtières Mytilus edulis et
M. galloprovincialis se distribue en mosaïque sur des centaines de kilomètres en formant
une succession de zones de transition entre le Nord et le Sud de l’Atlantique (Bierne et al
2003), la zone « hybride » de la sauge buissonnante Artemisia tridentata se limite à un
front d’une quinzaine de mètres entre les aires géographiques des 2 lignées (Graham et al
1995). La détection d’individus hybrides entre les deux espèces cryptiques de L. elevatus
définies par Matabos et al (2008b) à 9°50’N (via des marqueurs enzymatiques), associée à
la distribution géographique de ces espèces (précisée par Johnson et al (2008) et Plouviez
et al (2009) sur le mtCOI), suggérait que le champ hydrothermal 9°50’N pouvait constituer
une zone de tension dont l’étendue, le mode de fonctionnement, et l’impact sur l’isolement
génétique des espèces restaient à établir.
La distribution géographique (21°N-9°50’N et 9°50’N-21°S, respectivement) des
allèles appartenant aux deux clades divergents sur chacun des gènes Lysozyme et
Textilinine concorde avec la distribution des clades mtCOI des deux espèces et confirme la
présence d’une zone de contact secondaire à 9°50’N. De plus, la majorité des individus
possédant une signature ‘hybride’ avec un allèle ‘nord’ et un allèle ‘sud’ découlant de
chacun des clades (hybrides ou introgressés) a été échantillonnée sur ce champ
hydrothermal. Le gène VDG3 présente également des clades divergents. Cependant, la
distribution géographique de ces clades reste difficile à établir et ne correspond pas aux
patrons de distribution observés aux 3 autres gènes. En effet, si les clades 2 et 3 ne
comptent que des séquences échantillonnées au sein des individus de l’espèce sud, le clade
1 correspond à un mélange équiprobable de séquences échantillonnées dans les 2 lignées
230

Chapitre 4
mitochondriales trouvées au Nord et au Sud de l’EPR. De ce fait, il est difficile de savoir si
(1) le clade 1 correspond à la lignée Nord, une partie des allèles ‘nord’ ayant introgressé la
lignée sud dans un passé relativement ancien (certains allèles ‘introgressés’ ayant eu le
temps de se diversifier dans la lignée sud) ou (2) si cette distribution des allèles n’est pas
uniquement le reflet d’un polymorphisme ‘ancestral’ non trié (i.e. séparation des lignées
n’ayant pas permis de fixer suffisamment de mutations dans la divergence pour atteindre
une monophylie réciproque sur ce gène). La distinction entre une introgression ancienne
d’allèles et un polymorphisme ancestral n’est pas chose aisée, lorsque l’arbre
phylogénétique présente une para- ou une polyphylie (Nosil et al 2009), d’autant plus que
les gènes nucléaires nécessitent un nombre plus important de générations pour atteindre
cette monophylie réciproque (Zink & Barrowclough 2008), en comparaison des locus
mitochondriaux. En tout état de cause, il semble néanmoins que, si le mélange d’allèles
‘sud’ et ‘nord’ dans le clade 1 reflète une introgression, alors celle-ci doit être relativement
ancienne, car certaines branches terminales échantillonnées dans la lignée sud coalescent
relativement profondément dans le clade ‘nord’ de l’arbre phylogénétique, indiquant une
accumulation de polymorphisme depuis l’événement d’introgression potentiel (Fig.
4.25.A). Dans ce cas, l’ancienneté de l’événement pourrait expliquer pour ce gène,
l’importance de la zone géographique balayée par l’introgression au sud de l’EPR (allèles
‘introgressés’ retrouvés jusqu’à 21°33S), si tant est que l’on considère le gène VDG3
comme étant un marqueur neutre. Une telle hypothèse apparaît relativement réaliste même
pour une espèce à faible capacité dispersive si l’on considère que l’événement de
spéciation entre les lignées sud et nord date d’au moins 10 millions d’années (Plouviez et
al 2009) et que la remise en contact entre les 2 lignées pourraient largement pré-dater la
mise en place de la seconde barrière équatoriale, il y a 1,3 millions d’années. À l’inverse,
le faible nombre d’individus ayant une signature ‘hybride’ sur les gènes Lysozyme et
Textilinine et leur position géographique relativement restreinte (essentiellement à 9°50’N)
pourraient être la conséquence d’une hybridation récente des 2 lignées (durée
d’introgression trop courte pour être détectée au niveau des clades) ou la conséquence
d’une trop forte contre-sélection des individus hybrides (barrière génétique efficace de part
et d’autre de 9°50N) qui masquerait, à ces locus, l’hybridation ancienne de ces 2 lignées. Il
convient cependant de noter que la plupart de ces individus ne sont pas hybrides de
première génération (introgression), indiquant que la contre-sélection des hybrides n’est
pas totale.
231

Chapitre 4
Si la sélection contre les hybrides peut avoir jouer un rôle important dans la
limitation géographique de l’hybridation pour certains gènes, la barrière à la dispersion
récemment mise en place entre 9°50’N et 14°S (1,3 Ma, Plouviez et al 2009), mise en
évidence au locus mitochondrial et confirmée sur le gène Lysozyme, pourrait avoir
récemment réduit le flux migratoire de l’espèce Sud entre 9°50’N et le Sud EPR, limitant
par la même, le contact secondaire entre les espèces à la zone située à 9°50’N et donc,
l’étendue de la zone d’introgression aux nouveaux allèles apparus depuis la mise en place
de la seconde barrière (la zone d’introgression beaucoup plus étendue observée au gène
VDG3 étant probablement le reflet d’une histoire plus ancienne que la mise en place de
cette barrière). Ainsi, la population de la lignée sud échantillonnée sur le champ
hydrothermal 9°50’N serait partiellement isolée de celles des autres champs
hydrothermaux situés plus au Sud, pouvant ainsi expliquer l’étroitesse de la zone
d’hybridation vers le Nord et le Sud pour les gènes Lysozyme et Textilinine malgré une
histoire évolutive plus ancienne des 2 lignées.
La mise en place récente (1,3 Ma) de la barrière à l’équateur pourrait également être à
l’origine de la présence des 2 clades divergents retrouvés uniquement au Sud de l’EPR (i.e.
clades 2 et 3) pour les gènes Lysozyme et VDG3. En effet, les clades 2 des 2 gènes
pourraient correspondre à l’isolement de la population 9°50’N au Nord de la barrière alors
que les clades 3 correspondraient aux populations isolées au sud de la barrière de 14°S à
21°33’S. Cette hypothèse s’appuie sur le fait que la divergence entre les clades 1 et 2 est
plus faible que celle trouvée entre les clades 1 et 3 pour les 2 gènes, et que le clade 3 est
majoritairement retrouvé au sud de la barrière 9°50’N-14°S. Une remise en contact des
populations de ces clades 2 et 3 auraient ensuite pu brouiller le signal d’isolement
géographique entre ces populations (pas de monophylie réciproque) laissant supposer que
cette seconde barrière n’est pas très étanche pour ce gastéropode hydrothermal.
232

Chapitre 4
4.3.3.4. Isolement génétique des populations de 21°N et 21°33’S et
sens de colonisation
Outre l’isolement génétique des populations de part et d’autre des barrières génétique
13°N-9°50’N et physique 9°50’N-14°S observées, les populations situées en limite d’aire
géographique de l’espèce (21°N et 21°33S) présentent un particularisme génétique sur au
moins l’un des gènes échantillonnés : la population 21°N se distingue par une réduction de
polymorphisme au locus mtCOI (différence significative avec la population 13°N,
Plouviez et al 2009) et la population 21°33’S présente une série d’allèles relativement
divergents en forte fréquence aux gènes nucléaires Lysozyme et Textilinine (différence
significative avec 17°34’S). Outre un décalage géographique des isolats génétiques
associés à la mise en place de la seconde barrière, ces observations pourraient également
traduire des événements démographiques locaux.
Ne comptant qu’un unique haplotype mitochondrial, indiquant une réduction
drastique de la diversité génétique de la population 21°N, la différenciation génétique entre
13°N et 21°N pourrait être due à un goulot d’étranglement de la population de 21°N suite à
une extinction massive des émissions qui aurait pu avoir lieu au début des années 80
(Hessler et al 1985). Ce résultat suggère ainsi que la recolonisation des nouvelles zones
d’émission ne s’effectuerait que très partiellement à partir des sites situées plus au sud sur
l’EPR, très probablement en raison de la présence de la faille transformante Rivera qui est
l’une des plus longues du système EPR (décalage de la dorsale sur plus de 500 kilomètres).
Il convient néanmoins de noter que Shank & Halanych (2007) ont suggéré que des
immigrations récentes de Riftia pachyptila en provenance de 9°50N étaient détectables
dans les populations du bassin de Guaymas par utilisation de marqueurs AFLP. Cependant,
aucune réduction de diversité n’a pu être notée sur les gènes Lysozyme et VDG3 au niveau
de la population 21°N, comme on l’attendrait pour un événement démographique.
Aucune faille transformante majeure n’est présente entre 17°34’S et 21°33’S,
indiquant que la différenciation entre ces populations ne serait pas liée à l’existence d’une
barrière tectonique surnuméraire. La dynamique des courants profonds (de l’ouest vers
l’est à ces latitudes et quasi-perpendiculaire à l’axe du graben, Reid 1997) pourrait être
responsable de l’isolement de ces populations. Cependant, une telle différenciation entre la
population de 21°33S et les autres populations de l’EPR sud n’a actuellement pas été mise
233

Chapitre 4
en évidence chez les autres espèces. Si une migration du Sud vers le Nord à travers la
barrière équatoriale a été détectée sur la lignée Sud de l’espèce L. elevatus pour le gène
COI (Plouviez et al 2009), l’arbre phylogénétique du gène Lysozyme suggère que la
population 21°33’S pourrait être dérivée d’un effet de fondation à partir des populations
situées plus au Nord (e.g. Animal Farm : 18°33S). En effet, le clade 3 de ce gène,
majoritaire à 21°33’S, est dérivé du clade 2 échantillonné en forte fréquence sur les autres
populations de la lignée sud (9°50’N à 17°34’S).
Avec la détection des deux barrières aux flux de gènes (13°N-9°50’N et 9°50’N-
14°S) et la différenciation génétique des populations 21°N et 21°33’S, L. elevatus semble
présenter une structure génétique plus marquée que les 2 autres espèces étudiées dans ce
chapitre (une seule barrière détectée au sein des espèces A. pompejana et B. thermophilus).
Cette structure génétique plus forte pourrait indiquer que l’espèce a des capacités de
dispersion plus restreintes et/ou une sensibilité plus forte aux modifications de
l’environnement local (extinction). Il est néanmoins important de considérer ici que
l’histoire évolutive plus complexe de L. elevatus (2 barrières et 2 périodes d’isolement)
peut également fournir une explication convaincante à cette structure génétique plus
marquée. L’hypothèse d’une dispersion relativement limitée (type proche en proche) de
l’espèce fournit cependant un élément de compréhension supplémentaire pour expliquer le
nombre relativement important d’espèces décrites chez les Lepetodrilidae (famille pouvant
franchir plus difficilement les barrières à la dispersion et ainsi diverger plus rapidement de
part et d’autre d’une barrière par spéciation allopatrique). En effet, la diversification
d’espèces en allopatrie partiellement due aux capacités de dispersion réduites des larves
(non-planctotrophes), a été mise en évidence chez des gastéropodes marins du genre Conus
(Cuhna et al 2005). La radiation des Lepetodrilidae pourrait ainsi être le reflet d’une
dispersion larvaire limitée. Des études plus approfondies sur les capacités de dispersion de
ces espèces pourraient ainsi compléter ces informations génétiques et permettre de mieux
comprendre la radiation de cette famille. Néanmoins, il est fort probable qu’une part de
cette radiation évolutive soit également issue de spéciations adaptatives (spécialisation
écologique).
234

Chapitre 4
4.3.4. Y a-t-il eu une expansion démographique au Sud de l’EPR ?
4.3.4.1. Indices de diversité et tests d’écart à la neutralité
La diversité nucléotidique (π n ) et le thêta de Watterson (θ W ) ont été calculés via le
logiciel DNAsp 4.10.3 (Rozas et al 2003) au sein de chaque clade pour chaque gène et sont
présentés dans le tableau 4.16. Pour ces gènes, si la recombinaison in vitro détectée entre
individus a pu être éliminée, et que le nombre de recombinants inter-allèles au sein du
même individu ait été minimisé par suppression des allèles surnuméraires, la
recombinaison naturelle non détectée peut néanmoins persister dans nos jeux de séquences
et est souvent visible lorsque l’on regarde la longueur des branches terminales de certains
allèles. Le ‘four-gamete test’ de Hudson & Kaplan (1985), visant à détecter le nombre
minimum d’événements de recombinaison (R m ), a donc été effectué pour chacun des gènes.
Les R m calculées pour chaque gène sur la totalité des séquences montrent des valeurs non
nulles, allant de 5 pour le gène VDG3 à 9 pour les deux autres gènes nucléaires, indiquant
la persistance d’allèles recombinés dans nos jeux de données. Néanmoins, il n’était pas
possible de supprimer ces séquences potentiellement recombinantes afin d’obtenir un R m
global nul car cela impliquait une suppression d’un nombre trop important de séquences.
Les logiciels basés sur la coalescence faisant l’hypothèse de l’absence de recombinaison
(e.g. Migrate-n, IM, Sweep_bott), ils n’ont donc pas été utilisés dans cette étude. Afin de
détecter d’éventuels écarts à la neutralité, les indices de Tajima (D, 1989) et de Fu & Li
(F*, 1993) ont été réalisés pour chacun des clades, leur valeur moyenne n’étant
théoriquement pas affectée par la recombinaison (seule la variance est impactée, Schierup
& Hein 2000). Cependant, la recombinaison, en augmentant le nombre de mutations en
fréquence intermédiaire, influence la distribution des différences par paire de séquences
(courbes de mismatch, Fig. 4.28).
235

Chapitre 4
Tableau 4.16 Diversité nucléotidique (π n ), thêta de Watterson (θ W ), indices de Tajima
(D) et de Fu & Li (F*), et nombre minimum d’événement de recombinaison (R m ) au
sein de chaque clade pour les gènes nucléaires.
N, nombre de séquences (correspondant également au nombre d’individus)
NS p > 0,10 ; + p < 0,10 ; * p < 0,05 ; ** p < 0,01 ; *** p < 0,001
Locus Clade Ν π n θ W D F* R m
Lysozyme 1 33 0,011 0,017 -1,387 NS -2,263 + 8
2 28 0,001 0,005 -2,445 ** -4,263 ** 0
3 40 0,002 0,008 -2,554 *** -4,644 ** 0
VDG3 1 68 0,005 0,010 -1,675 + -3,324 ** 1
2 14 0,003 0,004 -1,573 NS -2,135 + 1
3 8 0,002 0,002 -1,064 NS -1,336 NS 0
Textilinine 1 17 0,014 0,020 -1,305 NS -1,747 NS 4
2 13 0,008 0,012 -1,420 NS -2,197 + 2
236

Chapitre 4
Fig. 4.28 Histogrammes de fréquence du nombre de différences par paire de séquences
au sein de chaque clade pour les 3 gènes nucléaires.
Traits pointillés, courbes observées. Traits pleins, courbes attendues sous l’hypothèse d’une
homogénéité du clade considéré et de la neutralité.
237

Chapitre 4
4.3.4.2. Expansion démographique au Sud
Matabos et al (2008b) ont suggéré l’existence d’un goulot d’étranglement récent
dans la lignée sud de L. elevatus à 17°25’S en comparant, sur des marqueurs allozymiques
et des marqueurs DALP, l’hétérozygotie attendue observée à celle attendue sous
l’hypothèse mutation/dérive (software Bottleneck, Cornuet & Luitkart 1996). Une
expansion démographique plus globale a été ensuite mise en évidence sur 7 espèces le long
de l’EPR Sud, sur le gène mtCOI, et datée à moins de 500 000 ans (Plouviez et al 2009),
les valeurs de D et F* obtenues chez la lignée sud de L. elevatus étant en accord avec cette
hypothèse. Les gènes nucléaires utilisés sur les espèces A. pompejana et B. thermophilus
(cf. parties 1 et 2 de ce chapitre) ont confirmé ce résultat. Chez L. elevatus, les valeurs
significativement négatives du D de Tajima et du F* de Fu & Li recensées uniquement
dans la lignée sud ainsi que les courbes de mésappariement ‘mismatch’, qui présentent un
excès de variants rares (avec un Rm = 0) au Sud sur le gène Lysozyme, sont également en
accord avec cette hypothèse. Pour le gène VDG3, la distribution géographique des clades
ne permet pas de relier les valeurs de ces indices au Sud de la dorsale. Le gène Textilinine,
qui discrimine bien le Nord et le Sud de l’EPR par 2 clades divergents, présente des indices
de Tajima et Fu & Li qui ne sont pas significatifs au Nord et en limite de significativité au
Sud (significatifs à 10%). Un échantillonnage plus conséquent de ces clades pourrait
permettre de mieux évaluer la significativité de ces tests. Si la valeur moyenne de ces
indices n’est théoriquement pas affectée par la recombinaison (Schierup & Hein 2000), les
courbes de mésappariement révèlent quant à elles plusieurs pics de variants en fréquence
intermédiaires, reflétant probablement un fort effet de la recombinaison pour le gène
Textilinine mais beaucoup moins marqués pour les gènes VDG3 et Lyso pour lesquels un
effet sélectif ou démographique est plus probable. En conséquence, même si les gènes
VDG3 et Textilinine ne permettent pas d’inférer réellement un changement
démographique au sud de l’EPR, les autres locus (mtCOI, Lysozyme et allozymes)
s’accordent en faveur d’une expansion démographique au Sud de la dorsale, pouvant être
due à de multiple extinctions/recolonisations dans cette région soumise à des vitesses
d’accrétion élevées (125-152 mm/an, Cormier 1997).
238

Chapitre 4
5. Discussion générale du chapitre 4 : comparaison des résultats obtenus
entre les espèces cibles
L’approche multi-locus utilisée dans ce chapitre sur trois espèces (A. pompejana, B.
thermophilus et L. elevatus) appartenant à des classes distinctes d’organismes
Lophotrochozoaires, permet de dégager un certain nombre de points communs quant à leur
histoire phylogéographique et le rôle de barrières physiques à la dispersion le long de
l’EPR. Quatre points communs majeurs peuvent ainsi être soulignés :
(1) La présence d’un patron commun de vicariance entre ces espèces,
géographiquement ciblé entre le nord et le sud de la dorsale. Alors que
l’approche multispécifique sur le seul gène mtCOI ne permettait pas de définir
précisément la position géographique de la barrière aux flux de gènes
responsable de cette vicariance, l’approche multi-locus a permis de préciser la
localisation de cette barrière chez B. thermophilus et de confirmer la position
préalablement établie sur le mtCOI pour les deux autres espèces. De plus, la
datation multi-locus estimée chez A. pompejana et B. thermophilus confirme
celle évaluée via le logiciel MsBayes par l’approche multispécifique à 1,3 Ma.
(2) Le caractère semi-perméable de cette barrière aux flux de gènes même si celle
ci apparaît relativement étanche pour les 3 espèces
(3) L’introgression d’allèles entre les lignées mitochondriales divergentes
(4) La confirmation via l’approche multilocus de l’hypothèse d’expansion
démographique au Sud de l’EPR proposée au préalable par l’approche
multispécifique. Ainsi, l’effet d’un goulôt d’étranglement suivi d’une forte
expansion des populations observé sur l’EPR Sud semble relativement clair et
lié à un facteur extrinsèque fortement structurant à l’échelle de la communauté
et non de l’espèce (effet tectonique ou volcanique majeur). Pourtant, révéler un
changement démographique passé à partir d’un déséquilibre mutation/dérive
dans le polymorphisme d’une espèce n’est pas chose aisée et a donné lieu à de
véritables débats entre partisans de l’existence d’un goulot d’étranglement (e.g.
Przeworski et al 2001, Wall et al 2002), ou de multiple balayages sélectifs (e.g.
Harr et al 2002, Glinka et al 2003, Baines et al 2002) dans les populations
africaines et non-africaines de Drosophila melanogaster. En compilant les locus
239

Chapitre 4
de l’ensemble des études précédentes (soient 105 locus) et en y ajoutant 10
locus non codants liés au chromosome X, Haddrill et al (2005) ont alors conclu
à l’existence d’un goulot d’étranglement (certains locus étant également soumis
à diverses formes de sélection). Comparer plusieurs locus et plusieurs espèces
co-distribuées peut donc s’avérer extrêmement efficace (et peut être même plus
efficace que d’utiliser des dizaines de locus sur une seule espèce) pour détecter
des évènements démographiques passés, si ceux-ci sont le fruit d’événements
écologiques ou climatiques majeurs affectant la majorité des espèces d’une
communauté (explosion d’un volcan, changements rapides du climat
(glaciations), catastrophes de type tempête/ouragan ou chute de météores).
Mais outre ces points communs entre espèces, l’approche multi-locus a également
permis de détecter certaines caractéristiques propres aux traits d’histoire de vie de chaque
espèce et ainsi de révéler des dissimilitudes entre espèces notamment en termes de
positionnement de la barrière et/ou de la taille des zones de contact. Ces variations, dues à
l’histoire évolutive particulière de chaque taxon, notamment au niveau de leurs stratégies
de reproduction et de dispersion, constituent un fort bruitage au signal de séparation des
faunes que constitue la barrière. Ainsi, L. elevatus présente une structuration génétique
plus marquée que les deux autres espèces (pour lesquelles une seule barrière est détectée),
avec deux événements d’isolement, l’un génétique (création d’une zone de tension à 9°50N
suite à une séparation très ancienne des faunes : 11,6 Ma) où le mécanisme principal est la
contre-sélection des hybrides et l’autre physique et plus récente (création d’une barrière
physique à la dispersion entre 9°50’N et 14°S, il y a 1,3 Ma). Ces barrières perméables aux
flux de gènes contribuent à une différenciation génétique complexe à laquelle pourraient
s’ajouter des effets de différenciation localisés au niveau des sites 21°N (extinction locale
du site, il y a quelques dizaines d’années) et 21°33S (point de rencontre avec une troisième
espèce cryptique de L. elevatus). Cette structuration génétique plus forte pourrait
s’expliquer par (1) des capacités de dispersion plus faible chez cette espèce et/ou (2) une
plus forte sensibilité à l’extinction des émissions hydrothermales en étant plus
spécifiquement associé au vestimentifère Riftia pachyptila.
Si L. elevatus présente, tout comme les deux autres espèces, une phase de dispersion
essentiellement larvaire, les larves sont incubées dans la cavité palléale de la femelle
jusqu’au stage veligère avant d’être émises dans la plume hydrothermale (Fretter et al
1988, Mullineaux et al 1995). Les larves de cette espèce sont lécitotrophes et n’ont pas été
240

Chapitre 4
décrites dans des couches d’eau éclairées à fortes concentrations en plancton
(contrairement à Bathymodiolus, Arellano & Young 2009). La survie des larves dans une
colonne d’eau oligotrophe telle que celle trouvée au niveau de la vallée axiale des dorsales
océaniques implique nécessairement d’importantes réserves vitellines. Or, les œufs de L.
elevatus présentent une taille inférieure à ceux d’A. pompejana (qui possède également une
larve lécitotrophe ne migrant, a priori, pas dans la colonne d’eau : Tyler et al 2008). Du
fait d’une incubation des œufs dans la cavité palléale des femelles, d’une part, et de la
faible importance des réserves vitellines, d’autre part, on peut donc suggérer que la durée
de dispersion dans la colonne d’eau des larves de L. elevatus doit être plus faible que celle
supposée chez B. thermophilus ou A. pompejana.
L’hypothèse d’une plus forte sensibilité à l’extinction locale est plus difficile à
appréhender car peu de données sont disponibles quant aux conditions de survie de cette
espèce. L’espèce L. elevatus présente un preferendum thermique d’environ 4,5-11°C (Mills
et al 2007) et est essentiellement associée aux B. thermophilus et Riftia pachyptila.
Lorsqu’une source perd de son activité et se tarît, la température du milieu diminue jusqu’à
revenir à la température de l’eau de fond (1-5°C), les vestimentifères associés au fluide
meurent très rapidement (quelques dizaines de jours) alors que les moulières peuvent rester
en place quelques années supplémentaires (évolution du site Parigo 84-90, Jollivet 1993)
même si les modioles perdent rapidement leurs symbiontes, leurs réserves en glycogène et
leur capacité de reproduction (Fiala-Médioni et al 1986, Raulfs et al 2004). Ces
changements faunistiques peuvent ainsi modifier la distribution locale de L. elevatus. Pour
atteindre les conditions 'idéales' de leur preferendum, les individus devraient donc se
déplacer au plus proche du fluide. L. elevatus pourrait entrer en compétition avec d’autres
espèces, et notamment L. ovalis, qui est associé plus spécifiquement aux moules
hydrothermales, avec un preferendum thermique plus faible (environ 1,8-6°C, Mills et al
2007). Une telle compétition entre L. elevatus et L. ovalis sur la gamme de température
préférentielle commune, concorde avec les observations de distribution de ces espèces. En
effet, alors que L. ovalis a été échantillonné en grand nombre à 7°25’S et 18°33’S (sites en
voie d’extinction avec populations nécrophages), l’espèce L. elevatus y est relativement
rare (cf. article de Matabos et al en préparation, annexe du chapitre 5). Cette compétition
sur les gammes de températures basses et le nombre limité de vestimentifères ‘survivants’
lors du tarissement de la source sur les gammes de températures hautes du preferendum,
pourraient ainsi induire une sensibilité forte aux changements de température et une
241

Chapitre 4
extinction locale supérieure pour cette espèce. Ainsi, Bengtsson (1989) a montré que la
compétition interspécifique entre trois espèces de zooplancton augmentait la probabilité
d’extinction locale dans un système de métapopulation. En supposant qu’un tel
changement de température n’engendre pas de compétition aussi forte avec d’autres
espèces pour A. pompejana et B. thermophilus, L. elevatus pourrait présenter une plus forte
sensibilité que ces espèces à des changements de température du fluide et ainsi présenter
des extinctions plus fréquentes et une structure génétique plus marquée. Cette hypothèse
reste néanmoins hautement spéculative et demande à être testée expérimentalement (e.g.
exclusion compétitive sur différentes gammes de températures). De plus, d’autres facteurs,
tels que la composition chimique du fluide ou la disponibilité en nourriture, pourraient
également influencer la compétition interspécifique et potentiellement modifier le régime
d’extinction locale (cf Matabos et al 2008a).
L’hypothèse d’une plus forte sensibilité à l’extinction est également à relativiser au vu
des tailles efficaces de populations. En effet, une espèce qui présente une grande taille
efficace de populations est théoriquement moins assujettie à la dérive génétique et aurait
ainsi une plus faible probabilité d’extinction qu’une espèce ayant une taille efficace plus
faible (Li & Graur 1991). L’espèce L. elevatus présentent généralement des tailles de
populations bien supérieures à celles de A. pompejana ou même à celle de B. thermophilus
(Jollivet, communication personnelle), pouvant laisser penser que L. elevatus présente une
taille efficace supérieure aux deux autres espèces étudiées et donc, au contraire, devrait
mieux résister aux extinctions locales. Néanmoins, une grande taille de population ne
signifie pas forcément que la taille efficace l’est également. Ainsi, la taille efficace estimée
sur L. fucensis (Juan de Fuca, dorsale du Pacifique Nord, Johnson et al 2006) à l’aide d’un
modèle d’Isolement avec Migration (Hey & Nielsen 2004, 2007), est du même ordre de
grandeur que celle estimée par ce même modèle dans ce chapitre sur A. pompejana, mais
10X plus faible que celle estimée sur B. thermophilus. Cette similitude de taille efficace
entre L. elevatus et A. pompejana pourrait s’expliquer par le mode de reproduction de ces 2
espèces. Ces 2 espèces utilisent en effet l’appariement mâle/femelle avec transmission du
sperme et fécondation interne des ovocytes pour se reproduire (Fretter 1988, Pradillon &
Gaill 2003), ce qui nécessite une recherche de partenaire dans son proche entourage
(reproduction entre individus proches).
Une deuxième différence observée entre les 3 espèces cibles réside dans la position
géographique de la barrière la plus récente. La position géographique de la barrière ayant
242

Chapitre 4
engendré une vicariance concomitante entre les espèces il y a 1,3 Ma, varie en effet selon
l’espèce considérée. Cette barrière est située à l’Equateur (entre 9°50’N et 7°25’S) pour A.
pompejana mais elle se positionne entre 7°25’S et 14°S pour B. thermophilus (1 seul
individu échantillonné à 7°25’S pour L. elevatus). De la même façon, la zone de contact
entre lignées mitochondriales est plus ou moins étendue géographiquement en fonction de
l’espèce. Ainsi, les lignées mtCOI d’A. pompejana sont bien séparées géographiquement.
Au contraire, B. thermophilus présente un mélange de ces deux lignées divergentes au
Nord de sa barrière et les espèces Nord et Sud de L. elevatus sont essentiellement en
contact à 9°50’N. De plus, alors que L. elevatus et A. pompejana présente une zone
d’hybridation relativement restreinte (avec des hybrides trouvés essentiellement à 9°50’N
et 7°25’S-14°S, respectivement pour ces deux espèces) qui s’apparente plus à la notion de
front d’hybridation, la zone d’hybridation de B. thermophilus s’étend à la fois au Nord et
au Sud de la barrière présumée (au Nord : 2 lignées mitochondriales alors que certains
gènes tels que Sulfo 1 et SAHH présentent un unique clade, au Sud : détection d’hybrides
sur le gène SAHH de 7°25’S à 17°34’S) dans une logique plus proche de la zone
d’hybridation en mosaïque décrite par Bierne et al (2003) chez le genre Mytilus. Ces
différences de distribution géographique (des lignées mitochondriales et des hybrides) sont
en accord avec les capacités de dispersion supposées plus importantes chez B.
thermophilus que chez les autres espèces et le vecteur de dispersion (courants de fond
canalisés par la vallée axiale versus courants de surface). En effet, par analogie aux larves
de Bathymodiolus childressi (Arellano & Young 2009), les larves planctotrophes de B.
thermophilus pourraient être capables d’atteindre des couches d’eau soumises à la lumière
du Soleil, leur permettant ainsi d’accéder à une plus grande quantité de nourriture et passer
rapidement d’une larve pedivéligère de 90 µm à une post-larve dont le diamètre atteint 400
µm (Le Pennec 1988, Dixon et al 2007). Elles sont donc susceptibles de rester plus
longtemps dans la colonne d’eau que les larves d’A. pompejana et L. elevatus, mais
également de disperser en suivant des courants de surface (potentiellement plus forts que
les courants profonds et de direction généralement différente, Thomson et al 1990, Cannon
& Pashinski 1997), ces derniers étant peu ou pas du tout affectés par la mise en place de
barrières tectoniques telles que le décalage de la dorsale par faille transformante.
243

Chapitre 4
244

Chapitre 5
Chapitre 5 : Conclusion, discussion générale et perspectives
La distribution mais également la variabilité de l’activité des sources
hydrothermales profondes font de cet environnement un exemple clé du concept de
métapopulation (Vrijenhoek 1997, Jollivet et al 1999), avec de nombreux événements
d’extinctions de populations et une (re)colonisation rapide des sites actifs parfois distants
de plusieurs centaines de kilomètres. À cela s’opposent des conditions environnementales
‘extrêmes’ (H 2 S, CO 2 , CH 4 , métaux Fe, Mn, Cu Zn, et As) relativement stables dans
l’espace et perdurant depuis la création des océans (Hannigton & Jonasson 1995), générant
ainsi de fortes pressions de sélection homogénéisante. De plus, suivant le modèle de
dispersion adopté, les espèces pourront présenter une homogénéisation (modèle migrant)
ou de fortes différenciations génétiques entre les champs hydrothermaux
géographiquement distants (modèle propagule). Outre la distance entre sites, des barrières
à la dispersion, éventuellement couplées à des origines de colonisation différentes entre
provinces géographiques (pré-compétences d’espèces phylogénétiquement indépendantes à
coloniser des environnements réduits), ont également façonné la distribution de la faune
hydrothermale. Certaines barrières majeures ayant profondément impacté la composition
de la faune, plusieurs provinces biogéographiques ont alors été définies (Van Dover et al
2002, Tyler & Young 2003, Bachraty et al 2009). L’objectif de cette thèse visait à mieux
comprendre l’histoire de la colonisation et le rôle des failles transformantes et des courants
profonds dans la distribution actuelle des espèces présentes le long de la dorsale du
Pacifique oriental. Pour cela, deux approches complémentaires de phylogéographie ont été
réalisées : (1) une approche multi-spécifique menée sur 7 espèces en utilisant le gène
mitochondrial Cytochrome Oxydase I et (2) une approche multi-locus effectuée sur 3
espèces cibles A. pompejana, B. thermophilus et L. elevatus. Ces approches ont ainsi
permis de dégager des hypothèses fortes sur l’histoire évolutive de ces espèces, telles que
(1) la présence d’un événement de vicariance commun entre espèces, daté de 1,3 Ma, (2)
une expansion démographique récente (< 500 000 ans) de ces espèces au Sud de l’EPR et
(3) la détection de zones de contact secondaire plus ou moins larges entre le Nord et le Sud
de la dorsale chez les 3 espèces étudiées via l’approche multi-locus. L’approche multilocus
nous a également permis de détecter des locus soumis à divers types de sélection (i.e.
balayage sélectif, sélection balancée, sélection purifiante).
245

Chapitre 5
1. L’EPR : une ou deux provinces biogéographiques ?
La dorsale du Pacifique oriental (EPR) fût la première dorsale considérée comme une
province biogéographique, supposée séparée de la dorsale du Pacifique Nord suite à la
subduction de la plaque Américaine sous la plaque Farallon (Tunnicliffe 1991), il y a
environ 35 millions d’années. Cette considération en tant que province biogéographique à
part entière a été étudiée sur la base de sa composition faunistique. Plusieurs études ont
alors défini d’autres provinces biogéographiques sur cette même base (e.g. Tunnicliffe et al
1998, Van Dover et al 2002, Tyler et al 2003, Bachraty et al 2009). Si ces auteurs
s’accordent généralement sur la définition de cinq provinces biogéographiques principales
(EPR, Dorsale du Pacifique Nord, Bassins arrière-arc du Pacifique ouest, dorsale Médio
Atlantique, Océan Indien), certains proposent de rassembler deux provinces en une seule
(e.g. Bassins arrière-arc du Pacifique ouest et Océan Indien : Tyler et al 2003, Bachraty et
al 2009) ou de séparer une province en deux distinctes (e.g. dorsale Médio Atlantique, Van
Dover et al 2002). L’EPR a ainsi été récemment considérée comme pouvant correspondre à
deux provinces biogéographiques différentes, définies de part et d’autre de l’équateur
(Bachraty et al 2009). Si en milieu terrestre les barrières à la dispersion permettent de
définir les provinces biogéographiques, elles correspondent généralement aux frontières
entre continents. A l’inverse, les provinces biogéographiques marines sont plus difficiles à
appréhender (Cox & Moore 2001), notamment du fait de l’interconnexion des océans,
l’existence d’une dimension supplémentaire : la profondeur et de l’accessibilité moindre au
milieu.
Dans un travail où j’ai pris une part importante d’activité, Matabos et al (en
préparation, cf. résultats présentés en annexe de ce chapitre) ont étendu le jeu de données
de Bachraty et al (2009) en y ajoutant la composition des faunes échantillonnées en 2004
durant la campagne océanographique Biospeedo. L’analyse en présence/absence des
espèces le long de cette dorsale confirme ainsi l’existence d’une différence de composition
de ces faunes entre l’EPR Nord et Sud et renforce l’hypothèse de deux provinces
biogéographiques de part et d’autre de l’Equateur. Ces nouvelles analyses placent la zone
de séparation des faunes en 2 points de rupture, l’équateur et la zone autour de 14°S. Ce
deuxième clivage a été affiné par l’ajout des collections récoltées pendant la campagne
BioSpeedo par comparaison des travaux de Bachraty et al (2009) qui considéraient cette
246

Chapitre 5
séparation à partir de 17°25’S. Les résultats obtenus en phylogéographie dans les chapitres
3 et 4 montrent que cette position géographique de la séparation des faunes correspond
également au point de rupture phylogéographique le plus récent retrouvé chez la plupart
des espèces étudiées. De plus, l’analyse en ‘barcode’ du marqueur mitochondrial COI de
certaines espèces rares de gastéropodes révèle l’existence de lignées mitochondriales
divergentes, géographiquement structurées autour du point 14°S qui pourraient
correspondre à des espèces cryptiques, de part et d’autre de l’Equateur, renforçant
également cette séparation en deux provinces biogéographiques. Enfin, les niveaux de
divergence observés sur plusieurs espèces (5,5-9,5% : L. pustulosus, L. tevnianus, P. laevis
et P. operculata) s’apparentent à celui trouvé entre les 2 espèces cryptiques de L. elevatus,
et renforce l’hypothèse d’un premier effet vicariant plus ancien, probablement daté à 11-12
millions d’années.
S’il peut sembler évident qu’une barrière biogéographique, engendrant des
différences de composition faunistique, puisse engendrer une forte structuration génétique
des espèces qui la traversent, une concordance parfaite entre les patrons
phylogéographiques et la composition faunistique ne peut pas toujours être établie. En
effet, la composition de la faune marine intertidale nord-américaine (Engle et al 1999) et la
structure phylogéographique observée sur plusieurs espèces (e.g. Soltis et al 2006)
semblent s’accorder sur la côte est américaine afin de définir une barrière biogéographique
entre le golfe du Mexique et la côte Atlantique de la Floride, avec la détection d’une zone
d’hybridation au niveau du Cap Canaveral pour un grand nombre d’espèces sœurs (e.g.
crabes : Bert & Harrison 1988, gastéropodes : Liu et al 1991, ou bivalves : Bert & Arnold
1995). Au contraire, Burton (1998) a montré que, bien qu’engendrant un changement net
des communautés entre les provinces biogéographiques de l’Oregon et de la Californie
(Doyle 1985), Point Conception ne correspondrait pas à une barrière phylogéographique
intraspécifique.
La concordance entre une barrière biogéographique en termes de composition
faunistique et une barrière phylogéographique doit donc être considérée avec précaution.
En effet, cette concordance géographique ne signifie pas forcément une concordance
temporelle de l’événement de vicariance. Ainsi, Cunningham et Collins (1994) distinguent
la « congruence » des patrons de distribution, qui nécessite une concordance à la fois
géographique et temporelle des barrières, de la « pseudo-congruence » des patrons
phylogéographiques, qui correspond à une concordance géographique de ces barrières mais
sur une période longue de colonisation du milieu, cette colonisation ayant eu lieu à des
247

Chapitre 5
périodes de temps différentes, et les barrières pouvant être issues de processus historiques
différents. Donoghue & Moore (2003) proposent ainsi une classification du niveau de
concordance entre quatre groupes dépendant de la concordance géographique et temporelle
des événements de vicariance (Fig. 5.1). Congruence et pseudo-congruence se définissent
ainsi par une correspondance géographique entre barrière et séparation des faunes alors que
congruence et incongruence correspondent à une concordance temporelle de l’isolement
des taxons (la pseudo-incongruence étant donc une absence de correspondance visible à la
fois géographique et temporelle de l’isolement observé).
Fig. 5.1 Classification de la concordance géographique et/ou
temporelle entre barrières biogéographiques.
Concernant l’EPR, nous avons mis en évidence un événement d’isolement génétique
entre le Nord et le Sud de la dorsale à la fois géographiquement (si l’on admet que les
différences observées entre espèces sont le reflet de capacités de dispersion différentes, de
réponses différentes à l’extinction locale, et/ou de barrières génétiques plus ou moins fortes
entre lignées (sélection contre les hybrides)) et temporellement concordants (1,3 Ma).
Nous pouvons donc considérer que cet événement de vicariance récent a conduit à un
248

Chapitre 5
isolement allopatrique pour chaque espèce et reflète une barrière congruente entre ces
espèces.
Au contraire, l’échelle de temps ayant conduit à la différenciation des faunes de part et
d’autre de l’Equateur (concordance géographique avec la barrière intraspécifique) serait
issue d’au moins un événement plus ancien de vicariance, l’estimation de la divergence
entre espèces cryptiques allant de 6,5% pour L. elevatus (Matabos et al 2008b) à 12,5%
pour le gastéropode Neomphalidae Pachydermia laevis (Matabos et al en préparation, cf.
annexe de ce chapitre). En conséquence, l’isolement intraspécifique et celui détecté sur les
communautés correspondent, a priori, géographiquement mais pas temporellement, et
peuvent ainsi être considérées comme pseudo-congruentes. Néanmoins, l’isolement
intraspécifique à 1,3 Ma et celui des communautés sont probablement issus d’évènements
tectoniques distincts, le premier étant probablement lié à la présence de nombreuses failles
transformantes récentes (i.e. complexe Quebrada / Discovery / Gofar, Kureth & Rea 1981,
Naar & Hey 1989, Francheteau et al 1990) alors que le second pourrait être dû à la
réorientation de la ride Mathématicienne (Mammerickx & Kligtgord 1982) ou la rotation
de la microplaque Bauer (Eakins & Lonsdale 2003). Cette correspondance géographique
apparente pourrait ainsi n’être qu’une convergence géographique. Néanmoins, l’EPR
constituerait deux provinces biogéographiques différentes définies de part et d’autre de
l’Equateur.
2. Connexion entre EPR et les autres provinces biogéographiques
Bachraty et al (2009), en effectuant un codage présence/absence des espèces
hydrothermales échantillonnées sur 63 champs hydrothermaux (Desbruyères et al 2006),
proposent que l’EPR Nord pourrait avoir constituer un rôle central dans la dispersion des
espèces hydrothermales. Ces auteurs suggèrent ainsi qu’une proportion significative de la
dispersion en provenance de cette province biogéographique vers l’ensemble des autres
provinces pourrait être à l’origine de la diversité actuelle recensée sur les sources
hydrothermales. Ils mettent également en évidence la présence d’une dispersion des
sources hydrothermales du Sud Ouest Pacifique vers le Nord Ouest Pacifique. Néanmoins,
l’EPR Nord est également la province biogéographique la plus étudiée et pourrait, de ce
fait, n’être pas aussi central que cela en raison du biais d’échantillonnage. Ces résultats de
dispersion sont donc à prendre avec précaution. Si les assemblages des communautés de
l’EPR Sud sont relativement similaires à ceux de l’EPR Nord, l’observation d’espèces
249

Chapitre 5
typiques des bassins arrière arc du Sud Ouest Pacifique ou de la dorsale Médio Atlantique
au niveau de l’EPR Sud (et notamment 21°33S i.e. Eosipho, Shinkailepas, Chorocaris),
suggérait que l’EPR Sud puisse constituer une zone de transition biogéographique entre
l’EPR Nord et ces deux autres provinces (Jollivet et al 2004). Au sein de l’EPR Sud, les
champs hydrothermaux les plus au Sud (i.e. 17°25’S à 21°33’S) présentent des
compositions faunistiques différentes des sites situés plus au Nord (i.e. 7°25’S et 14°S) et
une diversité taxonomique supérieure (Matabos et al en préparation, annexe de ce
chapitre), suggérant que les champs 17°25’S à 21°33’S pourraient effectivement constituer
une zone de transition des faunes entre l’EPR Nord et d’autres provinces biogéographiques
telles que le Sud Ouest Pacifique. Il semblerait donc que la dispersion des faunes de l’EPR
Nord (si on accepte l’hypothèse d’un rôle central de l’EPR Nord dans la colonisation des
sources par la faune moderne actuelle) pourrait également avoir transité via l’EPR Sud
pour atteindre les autres provinces biogéographiques.
3. Barrières semi-perméables : rôle des failles transformantes et des
courants divergents ?
Si ce travail de thèse nous a permis de mettre en évidence l’importance des failles
transfomantes et des courants profonds en tant que barrière aux flux de gènes, l’approche
multi-locus sur trois espèces cibles a montré le caractère semi-perméable de ces barrières,
avec la détection d’individus hybrides ou introgressés. Cependant, il est difficile de savoir
de quand date cette semi-perméabilité et donc de conclure quant à un isolement
allopatrique en cours avec migration (modèle d’Isolement avec Migration, Nielsen &
Wakeley 2001) ou une remise en contact secondaire de lignées divergentes (Nosil et al
2009). En effet, le modèle d’Isolement avec Migration suggère une migration entre lignées
relativement anciennes en situation parapatrique. Dans notre cas, à la vue du mécanisme
très progressif de séparation des segments d’une dorsale (formation d’un décalage lent et
continue par un effet de coulissage donnant lieu à la faille transformante), il serait sans
doute intéressant de considérer que le mode de spéciation prévalent correspond à une
situation d’allopatrie admettant une cessation très progressive des flux de gènes semblable
au modèle décrit par Hey et Wakeley au moins pendant les 2 à 3 premiers millions
d’années de l’isolement. Chez A. pompejana et B. thermophilus, tout concorde ainsi à
montrer que l’isolement est actuellement en cours. Ce scénario est également soutenu par
250

Chapitre 5
le non-échantillonnage de l’indel de 1 pb au Nord de l’EPR sur le gène Lysozyme pouvant
signifier que cet indel récemment apparu au Sud est désormais bloqué par la barrière aux
flux de gènes (mais l’absence de cet indel au Nord serait à vérifier par génotypage). Au
contraire, la détection d’individus introgressés (entre lignées divergentes) détectés en
comparant directement la lignée mitochondriale et le ‘background’ nucléaires des lignées
ou via des génotypages RFLP sur les gènes PGM (A. pompejana) et SAHH (B.
thermophilus), ainsi que la présence d’individus introgressés à double mitochondries chez
L. elevatus suggèrent plutôt une remise en contact secondaire de ces lignées divergentes :
une situation relativement logique chez L. elevatus ou le processus de spéciation est engagé
depuis beaucoup plus longtemps et pour lequel une zone de tension est manifeste à 9°50N.
4. Perspectives de la thèse
Ce travail de thèse nous a permis de dégager différentes perspectives, tant d’un point
de vu de l’évolution des espèces hydrothermales et de la compréhension du milieu
hydrothermal, que de l’évolution des gènes étudiés.
4.1. Évolution des espèces hydrothermales
La plupart des logiciels utilisant les modèles de coalescence ne prenant pas en compte
la recombinaison comme force de diversité allélique, les analyses effectuées durant cette
thèse ont, pour la plupart, été réalisées en éliminant les séquences recombinantes des jeux
de données. Or, certains logiciels récents basés sur des méthodes Bayésiennes permettent
de prendre en compte la recombinaison si celle-ci n’est pas trop élevée (e.g. PopABC,
MIMAR). Ils supposent néanmoins de fournir un certain nombre de paramètres initiaux
(prior) pas toujours aisés à définir lorsque les caractéristiques biologiques des espèces sont
peu connues (comme c’est le cas ici, e.g. estimation a priori de la taille efficace des
populations). Néanmoins, ces logiciels n’en demeurent pas moins intéressants et peuvent
permettre de complémenter nos analyses, notamment pour les espèces cryptiques de L.
elevatus pour lesquelles la recombinaison entre allèles était trop importante pour être
totalement supprimée des jeux de données. Pour ces espèces, certaines manipulations
complémentaires basées sur le génotypage par RFLP pourraient également apporter des
251

Chapitre 5
informations précieuses en permettant de quantifier plus finement l’hybridation le long de
l’EPR, à l’instar des gènes PGM d’A. pompejana et SAHH de B. thermophilus. Ainsi, un
site de restriction pour l’enzyme Mse1 a été détecté sur le gène Lysozyme chez L. elevatus
en liaison avec une mutation fixée discriminant les deux clades et pourrait ainsi permettre
de mieux évaluer l’étendue de la zone d’hybridation entre ces espèces.
La mise en évidence d’une différenciation génétique entre populations variant selon la
latitude et les espèces étudiées pose la question de la raison de ces disparités. Nous avons
proposé dans les chapitres 3 et 4, des hypothèses qui pourraient expliquer ces différences.
Néanmoins, les connaissances biologiques (e.g. cycle de vie, capacités de dispersion,…)
mais également écologiques (e.g. compétition intra et interspécifique, niveau de
fragmentation de l’habitat associé à l’espèce, adaptation à l’environnement local,…) de ces
espèces restent toutefois limitées. Afin de mieux comprendre l’évolution des espèces, il
semble nécessaire de mieux appréhender leur capacité actuelle à coloniser de nouveaux
sites et leur sensibilité vis-à-vis des modifications biotiques (relations entre espèces
sympatriques) et abiotiques (e.g. température, composition du fluide hydrothermal).
Certaines espèces n’ont été que très peu étudiées et leur cycle de vie reste extrêmement peu
connu, c’est le cas notamment du polychaete Hesiolyra bergi ou du gastéropode
Eulepetopsis vitrae. Des observations biologiques directes pourraient ainsi permettre
d’apporter des informations quant à son mode de reproduction, par exemple. Outre les
observations directes, des approches indirectes peuvent permettre d’évaluer les capacités
de dispersion de ces espèces, via l’étude de la connectivité entre populations. De telles
études ont déjà été engagées au niveau de l’EPR nord en modélisant la circulation des
masses d’eau au niveau de la dorsale à l’aide de mouillage de courantomètres, de piégeage
de larves dans la colonne d’eau et la plume hydrothermale ou la mise en place de modules
de colonisation sur des séries à long terme (cf. Mullineaux et al 1998). L’utilisation de
marqueurs génétiques suffisamment polymorphes (e.g. microsatellites, AFLP) pourrait
également être extrêmement informatif et permettre, par exemple, d’assigner des individus
migrants à leur population d’origine, si une différenciation suffisamment forte entre
populations est révélée. Une autre manière d’observer de manière indirecte la connectivité
entre populations serait une étude de la géochimie des coquilles chez les bivalves ou les
gastéropodes. En effet, le fluide hydrothermal peut présenter des compositions chimiques
légèrement différentes entre champs hydrothermaux. Les coquilles des mollusques étant
élaborées en utilisant les composés chimiques présents dans le milieu lors de leur
252

Chapitre 5
formation, la composition chimique des coquilles larvaires (encore présentes chez l’adulte)
peut ainsi renseigner sur la provenance de chaque individu, si tant est que cette coquille
larvaire se soit formée au contact du fluide hydrothermal et pas dans la colonne d’eau entre
ces sites (un cas envisageable chez les gastéropodes Lepetodrilidae mais peu vraisemblable
chez les Bathymodiolinae ou les larves sont directement émises dans la colonne d’eau en
périphérie des points d’émission). Ce genre d’approche géochimique a déjà été réalisée
avec succès sur des coquilles de bivalves côtiers (Mytilus californianus, M. edulis, Becker
et al 2005, 2007), de gastéropodes intertidaux (Concholepas concholepas : Zacherl et al
2003, Kelletia kelletii : Zacherl et al 2005) ou sur des otholithes de poissons (Thorrold et al
2007). Les gastéropodes qui incubent leurs larves dans leur cavité palléale (larves formées
sur le champ hydrothermal d’origine), tels que les Lepetodrilus, pourraient ainsi constituer
de bons candidats à une approche géochimique de connectivité des populations.
Une meilleure compréhension du milieu profond lui-même, par une investigation des
courants profonds par exemple, pourrait également permettre de mieux expliquer les
patrons de distribution des espèces. De plus, la découverte récente d’un champs
hydrothermal actif à 4°S sur la dorsale EPR avec une faune hydrothermale associée,
pourrait permettre de préciser la position de la barrière géographique entre l’EPR Nord et
l’EPR Sud.
4.2. Évolution des gènes
4.2.1. Le gène mtCOI
L’étude du gène mitochondrial de la Cytochrome Oxydase I a permis de mettre en
évidence un code génétique particulier chez le polychète A. pompejana avec la méthionine
qui serait codée par deux codons différents ATG et ATA (ce dernier codant habituellement
pour l’isoleucine). Il serait extrêmement intéressant de poursuivre cette étude du code
génétique mitochondrial des Alvinellidae en séquençant d’autres gènes mitochondriaux
afin de vérifier si ce code génétique est partagée par d’autres espèces d’Alvinellidae, voire
d’autres annélides. D’ores et déjà, une étude des génomes mitochondriaux de plusieurs
annélides dont Riftia pachyptila, Alvinella pompejana et Paralvinella grasslei est possible.
Si des séquences de ce gène ont été obtenues chez A. caudata, le nombre de séquences
253

Chapitre 5
effectuées restaient cependant trop faibles pour pouvoir avoir un accès réel au
polymorphisme. La raison de ce faible nombre de séquences obtenues sur A. caudata est
également très intéressante. En effet, sur 48 individus séquencés en direct, seule une
dizaine de séquences présentaient des chromatogrammes interprétables. Or, une fois ces
séquences alignées, nous avons détecté trois types de séquences différentes. Les deux
premiers types étaient différents par des substitutions synonymes, suggérant la présence de
deux lignées mitochondriales (voire espèces cryptiques). Le troisième type de séquences
était beaucoup plus intrigant puisqu’il différait des deux autres par la présence d’un indel
affectant le cadre de lecture de ce gène. Ainsi, la présence de cet indel sur le gène mtCOI
laisse penser à une possible duplication du gène qui pourrait ou non être passé dans le
génome nucléaire. Ce genre de transfert à déjà été décrit dans la littérature sous le nom de
numts en analysant les génomes de certaines espèces modèles (e.g. coléoptère Tribolium
ou l’abeille Apis, Pamilo et al 2007). Le nombre important de chromatogrammes illisibles
sur le mtCOI de cette espèce pourrait être dû à la co-amplification de ces gènes dupliqués
ou d’individus présentant une hétéroplasmie mitochondriale (cf. hybrides de L. elevatus).
De plus amples études pourraient ainsi permettre de mieux comprendre l’évolution de ce
gène chez A. caudata. Tout d’abord, le clonage des produits de PCR des individus
présentant des chromatogrammes illisibles pourraient permettre de savoir si la coamplification
de plusieurs lignées paralogues est bien à l’origine de ces chromatogrammes
illisibles. Ensuite, une extraction séparée de l’ADN mitochondrial et l’ADN génomique
suivie d’une amplification par PCR sur ces deux types d’ADN pourrait permettre de savoir
si une duplication de ce gène est passée dans le génome nucléaire ou si cette duplication
potentielle s’est effectuée dans le génome mitochondrial.
La détection d’individus présentant une double hérédité parentale et étant hybrides
entre les deux espèces cryptiques de L. elevatus, est également un point intéressant à
creuser. Cependant, elle nécessite d’effectuer un échantillonnage adapté de L. elevatus,
notamment à 9°50’N, d’en déterminer le sexe puis d’examiner la double hérédité en
fonction du sexe des individus. Si un nombre suffisant d’individus à double hérédité
parentale est détecté, il serait alors possible de regarder si ces individus présentent un sexe
particulier (e.g. si seuls les mâles ont deux mitochondries comme chez les Mytilus : Zouros
et al 1994). Examiner le caractère de double hérédité des mitochondries chez les larves ou
même les œufs fécondés, pourrait également apporter une information importante, à
savoir : si la mitochondrie du père (transmise par le sperme) est transmise à la descendance
254

Chapitre 5
puis perdue au cours du développement ou de la ségrégation méiotique. L’existence
d’individus probablement F1 à double mitochondries laisse supposer en effet que les
mécanismes pré-zygotiques n’empêchent pas la double hérédité parentale. Néanmoins, il
va sans dire que ces questions dépendent de l’échantillonnage et présentent actuellement
un véritable défi.
4.2.2. Phosphoglucomutase d’A. pompejana
La comparaison allozymes/RFLP sur le gène PGM d’A. pompejana a permis de
détecter la mutation non synonyme probablement responsable de la différence de charge
entre allèles 90 et 100 sur les individus du Sud de l’EPR. Néanmoins, cette mutation
n’explique pas cette différence sur les individus du Nord de l’EPR, indiquant la présence
d’une homoplasie de charge. Le séquençage de la totalité du gène de la PGM montre qu’un
seul remplacement non-synonyme Q/E en fréquence intermédiaire explique le
polymorphisme de la lignée nord, le site étant différent de celui trouvé dans la lignée sud
(D. Jollivet, données non publiées). Il serait donc extrêmement intéressant de cibler une
étude sur ce gène au voisinage de la (ou des) mutation(s) responsable(s) du changement de
charge et dans les parties exoniques les plus éloignées de cette mutation, dans les 2 lignées
d’Alvinella pompejana. Ce gène étant supposé sous sélection balancée, tout du moins au
Nord de la dorsale, cette mutation devrait être accompagnée d’un excès de diversité
nucléotidique à son voisinage dans l’hypothèse d’une sélection balancée (cf. Filatov &
Charlesworth 1999). Une telle étude par fenêtre coulissante sur la diversité du gène n’a
malheureusement pas été menée sur la lignée sud d’Alvinella pompejana car la mutation
Q/E incriminée se trouvait à l’une des extrémités du fragment d’ADN amplifié.
255

Chapitre 5
5. Annexe du chapitre 5
Faunal changes and geographic crypticism indicate the occurrence of a biogeographic
transition zone along the Southern East-Pacific Rise (SEPR)
Matabos M. 1,2* , Plouviez S. 2,3 , Hourdez S. 2,3 , Desbruyères D. 4 , Legendre P. 5 , Warén A. 6 ,
Jollivet D. 2,3 and Thiébaut E. 2,3 ,
1 Muséum National d’Histoire Naturelle, Département Milieux et Peuplements
Aquatiques, UMR BOREA 7208 (MNHN, UPMC, CNRS), CP 53, 61 rue Buffon, F-
75231 Paris cedex 05, France
2
CNRS, UMR 7144, BP 74, F-29682 Roscoff cedex, France
3 Université Pierre et Marie Curie-Paris 6, UMR 7144, Station Biologique de Roscoff,
Laboratoire Adaptation et Diversité en Milieu Marin, BP74, F-29682 Roscoff cedex,
France
4 Ifremer, Département Etude des Ecosystèmes Profonds, BP70, F-29280 Plouzané,
France
5
Département de sciences biologiques, Université de Montréal, CP 6128, Succursale
Centre-ville, Montréal, Québec, Canada H3C 3J7
6 Swedish Museum of Natural History, Box 5007, SE-10405, Stockholm, Sweden
*corresponding author: mmatabos@uvic.ca
Present address: School of Earth and Ocean Sciences, University of Victoria, PO Box
3065, STN CSC, Victoria, BC V8W 3V6, Canada
256

Chapitre 5
ABSTRACT.
Aim. Following their discovery in 1977 during the exploration of the Galapagos Spreading
Center, deep-sea hyrothermal vents have been now reported along all active mid-ocean
ridges and back-arc basins spreading centers. Although 5 to 7 distinct biogeographic
provinces have been then described, delimitations between biogeographic entities remain
questionable due to methodological issues. Here we examine biogeographic patterns of the
hydrothermal vent fauna along the East Pacific Rise (EPR) and determine the relative role
of regional and local factors on the distribution of biodiversity associated with mussel beds
along a poorly explored zone, the southern EPR.
Location. East Pacific Rise
Methods. Species list along the EPR was compiled from the literature and completed with
data recovered during the last French cruise BIOSPEEDO, held in 2004 along the southern
Eastern Pacific. Biogeographic patterns were assessed by combining identification of
morphological species and a molecular barcoding approach. The identification of a
geographic break was performed using a multivariate regression tree. The spatial variation
of the community structure in the mussel beds of SEPR in relation to environmental factors
was analysed through the measure of different diversity indices, a cluster analysis and a
redundancy canonical analysis.
Results. Sequencing of the Cytochrome Oxidase I gene revealed the occurrence of several
cryptic species complexes along the EPR separating southern and northern clades on both
part of the Equator. Furthermore, the Biospeedo cruise led to the discovery of at least 10
new species between 7°S and 21°S. The resulting shift in community structure highlighted
by the MRT analysis was located at 14°S and 17°25S suggesting that the southern part of
the SEPR (17°-21°S) constitutes a biogeographic transition zone in the vent fauna along
the EPR. At regional scale, the latitude combined with the type of venting sampled had a
significant impact on community structure associated with mussel beds along the SEPR.
However those factors were not sufficient to explain variation in species composition
suggesting a strong influence of other local factors such as small-scale habitat
heterogeneity and/or biotic interactions.
257

Chapitre 5
Keywords East Pacific Rise, mussel beds, hydrothermal vents, species richness,
biodiversity, biogeographic patterns, community structure, barcoding.
Running title. Biogeographic transition zone along the south EPR
258

Chapitre 5
INTRODUCTION
The discovery of dense communities of endemic species associated with hydrothermal
vents on the Galapagos Rift in 1977 offered a new perception of deep-sea benthic fauna,
far from what was commonly accepted in the vast poorly-productive abyssal plain
(Lonsdale, 1977). Hydrothermal vents are discontinuously distributed in oases along
oceanic ridges and characterized by an ephemeral lifespan vent fauna related to tectonic
events and volcanic activities occurring along the ridge crest. The associated marine
communities harbour high densities of macrobenthic fauna along with low species richness
and low diversity resulting from the overwhelming numerical dominance of a few
symbiotic species. They are clustered around vents where they thrive on microbial
chemoautotrophic primary production (Van Dover, 2000). These oases are characterized
by a low number of rare species which are heterogeneously distributed in time and space
depending on the vent conditions and faunal succession occurring during the early
colonisation of new vent emissions (Jollivet, 1996; Shank et al. 1998). The vent fauna has
adapted to the great instability of the habitat where strong variations of the geological
setting (in relation with the magmatic and/or tectonic activity) and the physical-chemical
conditions (related to the temporal dynamic of the fluid discharge) naturally occur on a
broad range of spatial (centimetres to thousands kilometres) and temporal (seconds to
years) scales (Juniper & Tunnicliffe, 1997; Sarrazin et al., 1997).
The endemism at the specific and generic levels has raised questions about vent
species origin and evolution: it was suggested that they originated and then independently
evolved from late Cretaceous and early Tertiary, around 65 Ma (Little & Vrijenhoek,
2003). But the colonization pathways and the links between the hydrothermal systems in
the global ocean are still poorly understood despite the growing literature addressing
biogeographic issues during the last decade (e.g. Tunnicliffe & Fowler, 1996; Tunnicliffe
et al., 1998; Tyler et al., 2003; Desbruyères et al. 2006a; Bachraty et al., 2009). The
present distribution of vent fauna mainly reflects historical events (i.e. plate tectonics) and
species abilities to colonize distant territories (i.e. dispersion and migration) (review in
Tunnicliffe et al., 1998). While dispersal and migration are major processes linking
neighbouring vent faunas (Tunnicliffe & Fowler, 1996), the interval between vents
depends on the geodynamic nature of the ridge (i.e. volcanism or tectonism).
Based on faunal composition, the global ocean ridge system consists in a nearly
continuous ca. 60000 km volcanic chain representing five main biogeographic provinces:
the Northeast Pacific, the East Pacific Rise (EPR), the Northwestern Pacific back arc
259

Chapitre 5
basins, the Mid-Atlantic ridge (MAR), and the Southwest Pacific and Indian Ocean.
However, depending on the authors, five to seven biogeographic entities can be erected
from the literature often differing in delimitations within an ocean (Tunnicliffe, 1991;
Tunnicliffe et al., 1998; Van Dover et al., 2002; Tyler et al., 2003; Bachraty et al., 2009).
As an example, while the Mid-Atlantic ridge is considered as a single biogeographic
province by most authors (e.g. Tunnicliffe et al., 1998; Desbruyères et al., 2006a; Tyler et
al., 2003; Bachraty et al., 2009), Van Dover et al., (2002) defined the Azores plateau and
the MAR as two distinct provinces. Similarly, depending on the authors, the Western
Pacific back-arc basins (BAB) comprise one or two (north vs south) biogeographic
provinces (e.g. Tyler et al., 2003; Bachraty et al., 2009). The differences among authors
depend on the methodology and criteria used to define the biogeographic units, as no clear
comprehensive classification exists for the deep-sea (Spalding et al., 2007), and the global
database of species inventory is far from being complete and still growing with years.
The specialized nature of vents and their geographical isolation on active spreading
centres are interesting features to study vicariance, species dispersal and colonisation
pathways (Tunnicliffe, 1988). Two complementary approaches are commonly used in
biogeography: historical and ecological biogeography. While ecological biogeography
investigates the current mechanisms of communication and dispersion at the regional scale,
historical biogeography studies tectonic/climatic events that have lead to the creation or
dislocation of geographic barriers. When considering oceanic ridges at a global scale,
tectonic events, creating physical barriers such as transform faults or microplates, can lead
to the isolation of species in allopatry. Geographic isolation can yield pairs of vicariant
species evolving independently, but filling the same ecological niche. This process has
been suggested to be an important driving force of vent fauna evolution (Tunnicliffe &
Fowler, 1996; Tunnicliffe et al., 1998) and appears to be more and more accepted for
species in most marine taxa (Heads, 2005). Ecological biogeography studies the factors
that define the spatial distributions of species in the present time (Monge-Najera, 2008),
thus processes acting at regional to local scales. At a regional oceanic scale, topographic
features, geodynamic environment and hydrodynamism highly influence the
extinction/recolonisation rate of the fauna, which, in turn, govern metapopulation
processes by creating gaps in species distributions (e.g. Jollivet et al. 1999, Won et al.
2003). Those processes are likely to affect the regional pool of species. At a local scale (i.e.
vent fields), community attributes can be highly variable within a site, along the fluid
mixing gradient (Sarrazin et al., 1997; Sarrazin & Juniper, 1999; Sarrazin et al., 1999), and
260

Chapitre 5
between sites according to the successional stage or age of the site, which is related to the
temporal dynamics of vents resulting from the waning and waxing of hydrothermal fluid
discharge (Shank et al., 1998; Sarrazin et al., 1999; Mullineaux et al., 2000). Biotic
factors, such as facilitation, predation, competition for food or space, by controlling
recruitment and abundances, may play a significant role in structuring local benthic
communities (Mullineaux et al., 1998; Micheli et al., 2002; Mullineaux et al., 2003;
Sancho et al., 2005). Finally, spatial habitat heterogeneity, related to spatial variations in
fluid fluxes, results in the occurrence of multiple microhabitats at small scale (Sarrazin et
al., 1997; Mills et al. 2007) and could promote sympatric speciation. This process, also
called ecological speciation, has been suggested to fix divergence c.a. 20 times faster than
species formation in allopatry but is rarely observed in natura (Via, 2001; Briggs, 2006).
Thus, local factors do not only act at the community level but can also have broader
significance. Ecology and biogeography are thus two complementary approaches in order
to understand biodiversity patterns (Briggs, 2007), ecological processes acting at different
spatial and temporal scales being often imbricate (Levin et al., 2001). On the other hand,
local processes influencing communities structure and biodiversity patterns can blur
broader biogeographical patterns if a non-adapted sampling strategy is undertaken (e.g.
lack of samples and/or replicates compared to the scope of the study).
Since 1977, taxonomists have described 533 morphological species comprised in
320 genera from vents (Desbruyères et al., 2006b). However, all known vent sites did not
undergo the same sampling effort, and biodiversity may be underestimated for poorly
explored zones. Moreover, previous biogeographic analyses did not take advantage of the
occurrence of sibling species, which is widespread in marine environment (Knowlton,
1993). Added to the identification of morphospecies, molecular systematics is a powerful
tool to address biogeographic issues as it tells how species separate or expand in time and
space. Comparative phylogeography (i.e. comparison of phylogeographic patterns among
multiple co-distributed taxa) has strong parallel with historical biogeography and can help
in identifying vicariant events unveiled by the taxonomy (Arbogast & Kenagy, 2001). To
date, cryptic species have been reported from hydrothermal vents for many taxa separated
by physical geological discontinuities that offset the ridge system (e.g. Won et al., 2003;
Hurtado et al., 2004; Young et al. 2008). Along the EPR, the presence of cryptic species
complexes was highlighted for lepetodrilid species (Johnson et al., 2008; Matabos et al.,
2008b). A strong genetic divergence between a northern and a southern lineages was also
observed from a set of taxonomic groups suggesting the occurrence of permeable genetic
261

Chapitre 5
boundaries around the Equator (e.g. Hurtado et al., 2002; Won et al. 2003, Hurtado et al.,
2004; Matabos et al., 2008b). This hypothesis was recently validated by Plouviez et al.
(2009) who demonstrated that the recent ridge history of the East Pacific Rise led to a
vicariant event that induced genetic divergence across the Equator about 1.3 millions years
ago for nearly all the vent taxa.
The Southern East-Pacific Rise (SEPR) is among the fastest spreading ridge centres
in the world (150 mm.an -1 ); it is characterized by a high instability in hydrothermal venting
often associated with recent effusive volcanism (Auzende et al., 1994; Fouquet et al.,
1994; Embley et al., 1998). While this portion of the EPR has been extensively studied
from the geological, tectonic and geochemical points of view (Auzende et al., 1994;
Fouquet et al., 1994; Fornari & Embley, 1995; Fujioka et al., 1995; Embley et al., 1998),
few papers are dealing with faunal composition across vent fields (Van Dover, 2002) and
the only studies found in the literature were based on few samples and study sites. Thus
first analyses of faunal assemblages along the SEPR described fauna similar to the
northern part of the EPR (Geistdoerfer et al., 1995; Halanych et al., 1999). From
quantitative samples, (Van Dover, 2002, 2003), proposed that the East Pacific Rise
represents a single hydrothermal biogeographic province over at least 31 degrees of
latitude, differences relying solely on the relative abundances of the dominant species and
the distribution of rare species. This latter author suggested that fields are not far enough to
prevent larval and/or adult dispersal in a stepping-stone manner (Van Dover, 2002).
However, the author came to these conclusions on the analysis of a single particular
habitat, mussel beds. Recently, based on presence/absence of species among all
hydrothermal vent fields in the global ocean, Desbruyères et al. (2006a) and then Bachraty
et al. (2009) argued that the Northern EPR (NEPR) and Southern EPR (SEPR) separate on
both sides of the Equator as two distinct provinces. Despite a more or less continuous
distribution of the vent fauna along the SEPR, assemblages consist in a succession of small
patches dominated either by vestimentiferan tubeworms, bivalves, or stalked cirripeds,
each of them resembling assemblages typical of 13°N/9°50’N/EPR for tubeworms,
21°N/EPR for bivalves, or the western Pacific back-arc basins for cirripeds (Jollivet et al.,
2005). These observations led to the hypothesis that this ridge portion may represent a
transition zone between the NEPR fauna and those of the Atlantic or the Western Pacific
back arc basins where species may have reached their range limits (Jollivet et al., 2005).
The BIOSPEEDO cruise, held in the south-east Pacific in 2004 (Jollivet et al.,
2005), aimed at understanding biodiversity patterns, and processes governing them, along
262

Chapitre 5
the SEPR: a poorly explored but important ridge cross-road between biogeographic vent
provinces. The objective of the present study was twice:
(1) to test the hypothesis that the SEPR could represent a transition zone between
the NEPR and the other biogeographic provinces found in Atlantic and the
Western Pacific. For this, macrofaunal community structure were compared at
two spatial scales: (1) along the whole East Pacific Rise from 21°N to 17°S
using species lists and then (2) along the 7°25’S-21°33’S/SEPR portion using a
semi-quantitative dataset from 10 mussel beds at 6 hydrothermal vent fields in
order to determine the relative roles of local and regional factors on mussel bed
diversities.
(2) to generalize the hypothesis of vicariance across the Equator over nearly all
vent habitats. This was assessed by a bar-code analysis of the main gastropod
species encountered along the EPR. Gastropods are indeed an important
component of hydrothermal fauna: species display various life history strategies
and are found in all kinds of habitats (Jollivet, 1996; Mills et al., 2007).
METHODS
Taxa, regions and data sources
Global analysis of communities along the EPR
A global species list of benthic macrofauna including only the main fauna (i.e. gastropods,
polychaetes and echinoderms) was generated from data compiled in (Desbruyères et al.,
2006b), and completed with the species list of the BIOSPEEDO cruise. Highly mobile
epifauna (e.g. crustaceans) have been intentionally excluded as they were not properly
sampled during most hydrothermal cruises. A final list of species coming from chimney
walls, vestimentiferan tubeworm clusters and mussel beds was thus compiled for nine
hydrothermal vent fields: 21°N, 13°N, 9°50N, 7°25S, 14°S, 17°25S, 18°36S and 21°33S.
In order to detect more precisely biogeographic relationships, the data was analysed at the
species presence-absence level (Desbruyères et al., 2006a, Bachraty et al. 2009).
Variation of the macrofaunal community structure associated with mussel beds along the
SEPR
A total of nine semi-quantitative samples of Bathymodiolus thermophilus beds were
collected in April/May 2004 along the Southern East-Pacific Rise (SEPR) at six vent fields
from both volcanic-dominated and tectonic-dominated zones between 7°25’S and 21°33’S
263

Chapitre 5
(Table 5.1). Areas driven by volcanic activity consist in dome-shaped ridge crest where
hydrothermal conduits resulting from seawater warming are short, shallower and unstable.
Conversely, tectonic areas are characterized by a deep axial graben where hydrothermal
fluxes are controlled by faults and are more stable through time (Fouquet et al., 1994).
Distances between neighbouring sites were comprised between 3 km and 891 km, and
between 30 m and 147 m within a site (i.e. Grommit). Collections were performed using
the hydraulic arm of the French manned-submersible vehicle ‘Nautile’ (Ifremer). For a
brief description of all vent fields see Jollivet et al. (2005).
264

Chapitre 5
Table 5.1 Characteristics of the sampling units. Macrofauna density corresponds to number of individuals standardize to the estimated
surface sampled.
265

Chapitre 5
Mussels were washed on deck with filtered seawater and the associated fauna was
collected onto 1 mm mesh sieve. The animals were sorted onboard the ship; the retained
organisms were fixed in 10% neutral formalin or in absolute ethanol for subsequent
molecular analysis. In the laboratory, all specimens were sorted, identified to the lowest
possible taxon, i.e. mainly to the species level, under a dissecting microscope and then
transferred to 70° ethanol. Data on echinoderm species correspond to those reported in
Stöhr & Segonzac (2006). Large and highly motile predators, including zoarcid fishes,
squat lobsters (Munidopsis spp) and bythograeid crabs were not included in the analysis.
Their presence was assessed by screening dives’ video records. Meiofauna and vagile
epifauna (mainly amphipods and copepods), which were not adequately sampled, were
also excluded from the analyses. Mussels < 10 mm, usually deemed to represent an
associated fauna at this life history stage rather than a structural component (Van Dover,
2002; Dreyer et al., 2005), were also not included in this study. The proportion of mussel
specimens < 10 mm, considered as juveniles, was however regarded here as an indication
of the mussel beds’ condition (newly settled, mature or senescent mussel beds).
Surface area (SA) of mussel shells was calculated by applying the relationship set
between the mass of aluminium foil required to cover the outer surface of a mussel shell
and mussel length (Bergquist et al., 2005). One hundred and six mussel shells,
representative of the whole size range, were used to determine this relationship. The outer
shells of each collection were wrapped in aluminium foil (0.00363 g.cm -2 ), and the mass
required to cover the entire shell was then converted to surface area. Bias emerging from
folding of the aluminium foil was considered equivalent for each mussel such that
comparison between sampling units was valid. The relationship between SA (in cm 2 ) and
shell mussel length (L) was derived by plotting the surface area against the shell length to
obtain the following equation:
SA = 0.0137 L 1.9671
This highly significant relationship (R² = 0.996; p =

Chapitre 5
the shell, homogenized in 600µL of a 60°C preheated 2% CTAB buffer solution
(containing 1.4M NaCl, 0.2% 2-mercaptoethanol, 20 mM EDTA, 100 mM Tris-HCl pH 8,
0.1 mg/mL proteinase K) and digested for 2 h at 60°C. Proteins, lipids and carbohydrates
were removed using a single chloroform-isoamyl alcohol (24:1) precipitation. DNA was
precipitated with 370µL cold 100% isopropanol and stored at −20°C for 1 to 2 h. The tubes
were finally centrifuged at 15 000g for 5 min. DNA pellets were washed with 70–75%
ethanol and resuspended in 20–60µL of TE buffer (10 mM Tris-HCl; 20 mM EDTA pH 8).
For each individual, partial sequences of mitochondrial cytochrome oxidase subunit
I gene (mtCOI) were amplified by conducting a “nested PCR”. DNA was pre-amplified
with the universal primers M1 and M2 (Nelson & Fisher 2000) and used as a target (1 µl of
PCR-product) for a second amplification with the universal primers LCO1490 and
HCO2198 described by Folmer et al. (1994). For both amplifications, the 50 µl
amplification mixture contained 3 µl of template DNA, 1x PCR buffer, 2 mM MgCl2, 0.4
µM of each primer, 2.5 µM of each dNTP, 2 U Taq DNA polymerase, and sterile H2O to
final volume. Polymerase chain reactions (PCR) were performed as follows: (a) a 3 min
initial denaturation step at 94°C, (b) 40 cycles of 45 s of denaturation at 94°C, 45 s of
annealing at 50°C and 90 s of elongation at 72°C and, (c) a 7 min final elongation at 72°C.
The PCR products were purified and sequenced on ABI 3100 using BigDye®
terminator chemistry (Applied Biosystems) following the manufacturer’s protocol.
Sequences were proofread and aligned manually using BioEdit Sequence Alignment 7.0.1.
Phylogenetic relationships between specimens were assessed for the wide-range
species found at a high number in the sample: the Lepetodrilids, i.e. Lepetodrilus elevatus,
L. cristatus, L. pustulosus, L. tevnianus, Gorgoleptis emarginatus and G. spiralis, the
Neomphalids, i.e. Pachydermia laevis and Peltospira operculata and the Neolepetopsid
Eulepetopsis vitrea. Additional species, found in low proportion during the Biospeedo
cruise but well known from the East Pacific Rise were also added, i.e. Nodopelta heminoda
and Rhyncopelta concentrica (Neomphalids), Clypeosectus delectus and Gorgoleptis
spiralis (Lepetodrilids). Details of specimens analysed are presented in Table 5.2. Aligned
sequences were analysed by Bayesian inferences. First, the optimal substitution model for
COI was selected using the hierarchical likelihood ratio test (hLRTs) implemented in
Modeltest 3.07 (Posada and Crandall 1998). Then, bayesian inferences were performed
using the MrBayes 3.1.1 program (Huelsenbeck & Ronquist 2003) that uses a Markov
Chain Monte Carlo (MCMC) method for exploring the parameter space in a stepwise
267

Chapitre 5
fashion. The analysis, involving 6 chains, was run for 10,000,000 generations with a
sampling frequency of 1,000 and a burn_in period of 50,000. The trees were unrooted.
Table 5.2 Number of specimens per species and per locality used in the bar-coding
analysis
Species This study Genebank Accession nos
Eulepetopsis vitrea 21°N (1), 13°N (1), 9°50’N (1),
7°25’S (1), 14°S (1), 17°25’S (1),
17°34’ (1), 18°36’(1), 21°33’S (1)
Lepetodrilus elevatus 21°N (1), 13°N (2), 14°S (1),
17°25’S (1), 17°35’S (1), 21°33’S
(4)
Lepetodrilus aff. elevatus
Lepetodrilus aff. galriftensis
Lepetodrilus ovalis 7°25’S (1), 14°S (1), 17°25’S (1),
17°35’S (1), 18°34’S (1), 21°33’S
(1)
EU306401-402 (Wood :
22°N/EPR :21°N-0°)
EU306407-408 (EPR:7°S-38°S)
EU306413-414 (EPR:9°N-23°S)
EU306478-479 (EPR:Monterey
Bay/EPR:21°N-38°S)
Lepetodrilus pustulosus 13°N (3) EU306457-458
(Wood:22°N/EPR:21°N-17°S)
Lepetodrilus aff. pustulosus
EU306464-465 (EPR:31°S-38°S)
Lepetodrilus tevnianus
EU306389-390 (EPR:9°N-23°S)
Lepetodrilus aff. tevnianus
EU306395-396 (EPR:23°S-31°S)
Lepetodrilus cristatus 13°N (17) EU306425-426 (EPR:21°N-38°S)
Gorgoleptis emarginatus 7°25’S (2), 14°S (1), 17°25’S (2),
21° 33’S (1)
Gorgoleptis spiralis 14°S (1), 17°25’S (2), 21° 33’S (3)
Clypeosectus delectus 17°25’S (2), 21°S (1), 23°S (2)
Pachydermia laevis 21°N (3), GoC (1), 13°N (1),
17°25’S (2), 17°34’S (1), 18°36’S
(2), 21°33’S (2), 31°S (1)
Peltospira operculata 13°N (4), 14°S (2), 17°25’S (1),
17°34’S (1), 18°25’S (2), 21°33’S
(2)
Peltospira delicata
Nodopelta subnoda 13°N (2)
Rhyncopelta concentrica 13°N (2)
AY923931
Published mtCOI sequences from Lepetodrilus elevatus (Genbank Accession nos
EU306401-EU306402 and EU306407-EI306408 described as L. aff. elevatus (Johnson et
al., 2008)), L. pustulosus (Genbank Accession nos EU306457-EU306458 and EU306464-
EU306465 for L. aff. pustulosus (Johnson et al., 2008)), L. cristatus (Genbank Accession
nos EU306425-EU306426), L. ovalis (Genbank Accession nos EU306478-EU306479), L.
aff. galriftensis (Genbank Accession nos EU306413-EU306414) and L. tevnianus
(Genbank Accession nos EU306389-EU306390 and EU306395-EU306396 for L. aff.
tevnianus (Johnson et al., 2008)) were included. A published sequence of Peltospira
delicata (Genbank accession number AY923931) was also included.
268

Chapitre 5
Biodiversity measurements
For both global and regional analyses, the species richness (S), the average taxonomic
distinctness (Δ + ), variation in taxonomic distinctness (Λ + ), and the Jaccard coefficient were
calculated from species presence/absence matrice using the DIVERSE subroutine in
PRIMER v5 (Clarke & Warwick, 2001).
The average taxonomic distinctness (Δ + ) is the average taxonomic distance between
all pairs of species (i and j) in a sampling unit by gracing these distances through a
taxonomic tree such as (Warwick & Clarke, 2001):
[]/(1)/2ijijss!+

Chapitre 5
Van Dover (2002, 2003). In the context of this study, the main advantage of these two
indices is that they are independent of sample size or sampling effort.
Pielou’s eveness (J’), Shannon-Weiner diversity index (H’) and rarefaction index
ES (n) were calculated for each mussel bed sampling unit from species relative abundance
matrices using the DIVERSE subroutine in PRIMER v5. The E(Sn) rarefaction index is the
Expected Number of Species which estimates the number of species (S) in samples
normalized (rarefied) to successively smaller sizes (Hurlbert, 1971). It was originally
designed to allow comparisons of species diversity from sampling units of very different
size. This method assumes that samples are homogeneous with similar distribution of
individuals among species and that species are randomly distributed. These assumptions
are rarely observed in practice and rarefaction index will strongly be biased for small
samples. In our case, the sampling units were normalized to the lowest common number of
individuals found at Grommit (21°33°S), i.e. 600 (Table 5.1).
Multivariate statistical analyses
Prior to analyses, a Hellinger transformation was applied to the response dataset in order to
preserve the Hellinger distance, which is more appropriate for community composition
data, instead of the Euclidean distance (Legendre & Gallagher, 2001).
Global analysis of communities along the EPR
For global analysis, putative biogeographic breaks were identified using a multivariate
regression tree (MRT) (De'ath, 2002) applied on two different datasets. The first one came
from the species list recorded in Desbruyères et al. (2006b). The species collected during
the BIOSPEEDO cruise were added to the second analysis. This method was used to
define group of fields that are similar in faunal composition while geographically adjacent.
The MRT is a partitioning method of the multivariate data response table (i.e. species
matrix) constrained along the axis of a single explanatory variable. Latitude was used as
the constraining variable to generate spatially consistent reliable groups. The tree structure
is generated by partitioning the whole dataset into mutually exclusive groups and is grown
by successive binary splits of the data, each split involving a breakpoint in the explanatory
variable. Each split is chosen to minimize the total multivariate sum of squares within the
two groups formed, or maximise the R² (or equivalently the among-group sum of squares)
at each division step. The tree with the lowest cross-validation error was chosen as the best
predictive tree. At the end of the procedure, each leaf of the tree is characterized by the
270

Chapitre 5
number of sites, the multivariate mean of the sites and the explanatory variable values that
define it. The tree was computed using the ‘mvpart’ library (De'ath, 2002) in the R
statistical language (R Development CoreTeam, 2006).
Variation of the macrofaunal community structure associated with mussel beds along the
SEPR
To investigate the correlations of faunal composition with explanatory variables, a
redundancy canonical analysis (RDA) was performed on standardized data on macrofauna
associated with mussel beds along the Southern EPR. This method combines aspects of
ordination and regression and uses a permutation procedure to test the significance of the
explained variation; thus species abundances have not to be normally distributed (Legendre
& Legendre, 1998). The explanatory variables were the latitude from the equator, the
geodynamic environment (two-state variable: tectonic vs volcanic), the type of venting
(three-state variable: moribund, diffusion zone or chimney wall) and the proportion of
mussels juveniles (i.e.

Chapitre 5
21°33’S. Similarly, Echinopelta fistulosa and Cyathermia naticoides, only known from the
Northern EPR (i.e. 9°N to 21°N), were collected at 21°33’S and 17°25’S respectively. For
the first time, benthic individuals of the genus Laeviphitus were collected while this taxon
had only been found as larvae in this area (Desbruyères et al., 2006b). Furthermore, this
cruise led to the discovery of new species, i.e. Phymorhyncus n. sp. at 17°25’S and
18°25’S, Melanodrymia n. sp. and Haloceras sp., a new genus for hydrothermal vents, at
21°33’S for gastropods (Warén, pers. obs.) and Paralvinella n. sp., Glycera n. sp. and a
new Ampharetidae species at 21°33’S, Sphaerodopsis n. sp. at 18°25’S and Nicomache
n.sp. and a new Flabelligeridae species at 17°25’S and 21°33’S for polychaetes
(Desbruyères & Hourdez, pers. obs.), as well as species belonging to genera characterizing
other ridges systems (i.e. Eosipho auzendi, Pacific Antarctic Ridge and Shinkailepas sp.
from the Mid-Atlantic Ridge and back-arc basins). These new species were only found
south of the latitude of 17°25’S. Moreover, the gastropods Nodopelta heminoda and N.
subnoda and the polychaete Hesiolyra bergi, highly abundant on the chimney walls of the
NEPR vent fields, were virtually nearly absent (very few individuals) from SEPR samples
despite a huge sampling effort (9 chimneys extensively sampled).
When analysing only the species dataset reported in the handbook, species richness
was twice higher at all NEPR vent fields (i.e. 42 to 62 species) than at any vent field from
SEPR (i.e. 13 to 28 species) (Table 5.3). The highest species richness was observed at
13°N and 21°N (i.e. 62 and 51, respectively) and at 17°25’S (i.e. 28) for the southern part.
Conversely average taxonomic distinctness was nearly homogeneous along the whole EPR
with the highest value (84.48) found at 17°25’S. Adding the species recorded during the
BIOSPEEDO cruise increased significantly the number of species recorded in the SEPR to
an extent similar to that of the NEPR. The analysis revealed two centres of species
diversity: one in the north including 11°N and 13°N and one in the south included vent
fields located between 17°25’S and 21°33’S. Species diversity in the SEPR reached 60 at
17°25’S against 62 at 13°N. The average taxonomic distinctness was not too much affected
with a highest value still found along the SEPR and associated with the highest variation
coefficients of the taxonomic distinctness (Table 5.3).
272

Chapitre 5
Table 5.3 Diversity indices for each hydrothermal vent field along the East-Pacific
Rise (EPR).
Data are expressed in presence/absence. EPR handbook: data reported in (Desbruyères et
al., 2006b) and EPR hb+bs: species collected in the Southern EPR during the
BIOSPEEDO cruise were added to the data.
EPR hand book
EPR hb + bs
Vent site S Δ + Λ + S Δ + Λ +
21°N 51 79.79 513.2 51 79.79 513.2
13°N 62 80.94 536.2 62 80.94 536.2
11°N 42 80.22 560.4 42 80.22 560.4
9°50’N 45 79.41 566.3 45 79.41 566.3
7°25S 21 78.73 555.5 35 79.33 519.4
14°S 22 79.73 520.9 34 79.32 557.8
17°S 28 84.48 445.5 60 81.96 484.9
18°S 14 79.3 472.2 38 83.95 398.7
21°S 13 76.5 473.2 52 80.62 507.1
The multiple cross-validations produced a MRT with three groups of fauna for both
analyses, explaining 70.3% of the variation in the species dataset when considering only
the handbook and 45.4% when adding the new species records (Fig. 5.2). Those trees
displayed the lowest cross-validation error and offered sufficient resolution when
considering the number of observed hydrothermal fields along the East Pacific Rise (i.e.
9). The first split separated the northern and southern parts of the EPR more or less at the
Equator. A second split sub-divided the SEPR into two groups of assemblages including
sites on both sides of the latitude of 18°S when considering only species reported in the
Handbook, and between 14°S and 17°25’S when adding species collected during the
BIOSPEEDO cruise.
273

Chapitre 5
Fig. 5.2 Groups obtained by multivariate regression trees (MRT) analysis of
presence/absence data along the EPR. Latitudes are south from the equator. A. Data
from the handbook (Desbruyères et al., 2006b). B. Data complemented with species data
from the BIOSPEEDO cruise.
274

Chapitre 5
Evidence of species crypticism and vicariance in vent gastropods
Phylogenetic relationships were analysed for 18 species of Neolepetopsidae,
Lepetodrilidae and Neomphalidae gastropods along the whole EPR using a 425pb
sequence portion of the Cytochrome oxidase subunit I (COI). The tree obtained by
Bayesian inferences is presented in Fig. 5.3. All nodes with less than a 95% probability
were collapsed to basal polytomy. Within the Lepetodrilidae family, we detected thirteen
clades with ten clades involving six species of the genus Lepetodrilus sp.. The two species
of the genus Gorgoleptis sp. and Clypeosectus delectus were constituted of one clade each.
Pairwise K2P Kimura distances between clades detected within each well-identified
morphological species, i.e. L. elevatus, L. pustulosus, and L. tevnianus, ranged between
5.5% and 8.3%. Within cryptic lineages (i.e. clades), pairwise distances ranged from 0 to
1.5% for L. ovalis. Lepetodrilus aff galriftensis, identified by Johnson et al. (2008),
grouped with the southern clade (9°50N to 21°33S) of Lepetodrilus elevatus (Matabos et
al. 2008, Plouviez et al. 2009) and Lepetodrilus aff elevatus (Johnson et al. 2008) with the
third clade only found at 21°33S. This latter diverged from the northern and southern
clades by 7% and 5.8% respectively. L. ovalis and G. emarginatus also displayed two
clades with a slight divergence of 1.5%. G. spiralis and C. delectus were homogeneous
along the EPR with intra-species distance comprised between 0.01 and 1.5%. Eulepetopsis
vitrea displayed two distinct mitochondrial lineages separated by a divergence of 1.5% and
located on each part of the Equator. The only gastropod species of the genus Lepetodrilus
for which no geographic break was detected is L. cristatus, mostly found on the walls of
vent chimneys. Within the Neomphalinae, Peltospira operculata and Pachydermia laevis
exhibited two to three divergent clades. Peltospira operculata and Pachydermia laevis
showed the strongest divergence between the NEPR and SEPR with 7.9% and 12.5%
divergence between the two clades respectively. An individual of P. laevis sequenced from
31°S beyond the Easter microplate showed 10.8% divergence with the NEPR clade and
11.2% with the SEPR, respectively. Pairwise K2P Kimura distances within clades ranged
from 0.2% to 0.6%. In all cases, cryptic lineages within a single morphological species
were geographically structured with a northern and southern lineage across the Equator
and, in a few cases an additional mt lineage at the most southern vent field (i.e. 21°33S).
However the absence of samples between 9°50’N and 17°25’S impede to clearly identify
the localisation of the geographic break along the ridge, and as it was impossible to
identify lineages on the basis of morphological criteria, the species complexes identified
275

Chapitre 5
here were considered as a single widely distributed species in further biogeographical
analyses.
276

Chapitre 5
Fig. 5.3 Bayesan tree based on the 111 gastropods COI sequences. Numbers correspond
to the posterior probability values of the nodes. Genebank sequences added to the tree were
provided by (Johnson et al., 2008). Abbreviations for sites are given in Table 3.
277

Chapitre 5
Variations in the macrofaunal community structure of mussel beds along the SEPR
Up to 13,339 individuals belonging to sixtie species were collected in mussel beds along
the Southern EPR: twenty-height species of gastropods (nineteen genera and eleven
families), thirty species of polychaetes (twenty-two genera and fourteen families) and 2
species of echinoderms (two genera and two families) (Table 5.4). The most abundant
species at the regional scale were Lepetodrilus sp. (i.e. L. elevatus and L. ovalis),
Eulepetopsis vitrea, Amphisamytha galapagensis and Archinome rosacea. While
Melanodrymia aurantiaca was only found at 21°33’S, it was highly abundant at that site.
Conversely, Planorbidella sp. was found in all samples but represented few individuals at
each locality.
278

Chapitre 5
Table 5.4 List of species collected in 10 mussel beds along the Southern East-Pacific Rise (SEPR).
279

Chapitre 5
Table 5.4 (continued…)
280

Chapitre 5
Local species richness varied between 11 and 26 with the lowest values observed at Lucky
Eric (14°S), Susie (17°34’S) and Sarah’s Spring (7°25’S) (Table 5.5). The highest species
diversities, both in terms of species richness and evenness, were observed at the 17°25’S
Rehu Marka and 18°36’S Animal Farm sites and at one sample from the 21°33’S Grommit
site. However, Shannon indices are relatively low, ranging between 0.47 at Suzie and 2.33
at Rehu Marka (Table 5.5).
Table 5.5 Diversity indices for each quantitative sample collected in mussel beds
along the Southern East-Pacific Rise (SEPR).
Vent field Vent site N(ind.m²) S ES (600) J’ H’(log e ) Δ + Λ +
7°24S Sarah’s Spring 3959 12 11.64 0.52 1.29 75.45 798
14°S Lucky Eric 1170 11 10.65 0.51 1.22 67.20 980
17°25S Oasis-BS6 2028 26 17.44 0.20 0.65 87.02 310
Rehu Marka 771 24 22.48 0.75 2.33 86.01 374
17°34S Susie 1794 12 8.85 0.19 0.47 77.09 835
18°36S Animal Farm 2249 24 19.5 0.71 2.24 88.84 258
21°33S Grommit (Gr1) 647 25 25.24 0.39 1.26 84.6 431
Grommit (Gr2) 832 26 25.6 0.68 2.23 86.28 335
Grommit (Gr3) 845 24 22.2 0.55 1.74 84.2 472
The same trend was observed regarding to average taxonomic distinctness indices.
Δ + varied between 67.20 for Lucky Eric (14°S) and 88.84 for Animal Farm (18°36’S). The
following highest values, observed for collections at Oasis (17°25’S), Rehu Marka
(17°25’S) and Grommit (21°33’S), were equivalent. Taxonomic groups were more evenly
distributed at sites characterized by the highest average taxonomic distinctness, as
suggested by the Λ + value. Oasis (17°25’S), Rehu Marka (17°253S), Animal Farm
(18°36’S) and one replicate from Grommit (i.e. Gr2, 21°33’S) were significantly higher
than the theoretical value estimated by 1000 permutations of the dataset. The sampling unit
collected at Lucky Eric (14°S) was significantly smaller (Fig. 5.4) in term of average
taxonomic distinctness; and the variation in taxonomic distinctness values observed at
Sarah’s Spring (7°25’S), Lucky Eric (14°S) and Susie (17°34’S) differed significantly
from the theoretical value (Fig. 3).
281

Chapitre 5
Fig. 5.4 Measured values of Δ + (a) and Λ + (b) from the semi-quantitative sampling
units collected in mussel beds along the SEPR, plotted against the number of species
on the simulated 95% confidence interval generated after 1000 resamplings of the
same number of species from the total SEPR species list. Sites abbreviations are
presented in Table 1.
282

Chapitre 5
The cluster analysis shown in Fig. 5.5 indicated a clear separation of sampling sites into
three distinct groups plus one isolated site, Sarah’s Spring (7°25’S). Sarah’s Spring was
characterized by low species richness and taxonomic diversity, with the absence of
echinoderms and the presence of only four species of polychaetes. This site differs from
the others in that the gastropod Lepetodrilus pustulosus, almost absent from other samples,
was found in a high proportion. L. pustulosus and the polychaete Amphisamytha
galapagensis constituted 85% of the individuals collected. The first group corresponds to
the highest values of the Shannon’s diversity index (i.e. H’) and a high average taxonomic
distinctness (Table 5.5) and includes Animal Farm (18°36’S) and Rehu Marka (17°25’S).
They were both composed of five and seven dominant species (i.e. >5%). The second
group, which includes collections from Lucky Eric (14°S), Oasis BS6 (17°25’S) and Susie
(17°34’S), corresponds to the lowest Shannon’s diversity index (Table 5.5). They were
mainly composed of Lepetodrilid species, with L. elevatus present up to 88% and 90% in
the sampling units collected at Oasis BS6 and Susie, respectively. Finally, samples
collected at Grommit (21°33’S) grouped together with 65% of species similarity. They
displayed the same species and taxonomic diversity and contained at least three new
species each, and six new species only shared by those samples (i.e. Melanodrymia n. sp.,
Shinkailepas sp., Glycera n. sp., Nichomache n. sp., Oasisia n. sp. and the new species of
Ampharetidae). While the gastropod Melanodrymia auriantaca was completely absent
from the other sampling units, it was found at a very high abundance at this site where
samples were collected in mussels beds from the chimney wall.
Fig. 5.5 Group-average sorting dendrogram computed from the cord distance among
the 9 sampling units collected in mussel beds along the Southern East Pacific Rise.
Numbers identify clusters highlighted. Sites abbreviations are presented in Table 1.
283

Chapitre 5
Sites and explanatory variables used in the RDA are displayed as an ordination
biplot in Fig. 5.6. Results of the RDA showed that the transformed species abundances are
significantly correlated with two environmental variables out of four (R²adj=0.29,
p=0.004). The first axis explained 28.6% (R²adj=0.18, p=0.003) of the total variation in
species abundance data, and the latitude and the type of venting explained 27.8%
(R²adj=0.17) and 26.4% (R²adj=0.16), respectively. However, the power of the test is very
low due to the lack of observations and environmental variables in the dataset. This
prevents the analysis from reaching a statistical significance when considering each
variable alone.
Fig. 5.6 Ordination correlation biplot of the sites and environment variables based on
redundancy analysis (RDA) of transformed species abundance data. Abbreviations used
for the sites are presented in Table 1. Groups identified with the dendrogram are represented
with circles. Species were not represented.
284

Chapitre 5
DISCUSSION
Evidence of crypticism in gastropod species
For the Lepetodrilids species, 6.5% divergence was already highlighted for Lepetodrilus
elevatus separating the northern and southern clades found in sympatry at 9°50N (Matabos
et al., 2008b). Johnson et al. (2008) also revealed several distinct cryptic species
complexes within the genus Lepetodrilus with pairwise distances ranging between 4.37
and 31.25%. Pachydermia laevis displayed 12.5% divergence between north and Southern
EPR, higher than the divergence found with the individual collected on the other side of
the microplate. Differentiation between individuals of Planorbidella planispira found on
both sides of the equator fell in the same range as the Lepetodrilids species with 7.9%
divergence. Strong genetic differentiation between Northern and Southern EPR were
detected for other divergent taxonomic groups including bivalves and polychaetes
(Plouviez et al., 2009). While levels of divergence can be highly variable between two
species (Knowlton, 2000), pairwise genetic distances between and among clades
highlighted in this study fit inter- and intra-specific levels respectively (Peek et al., 1997).
Since the development of molecular techniques, occurrence of sibling species appears to be
more widespread in hydrothermal ecosystems, and at larger scope, in the sea (Peek et al.,
1997; Knowlton, 2000; Johnson et al., 2008; Matabos et al., 2008b).
Biogeographic entities along the EPR
Barcoding of hydrothermal species (Johnson et al., 2008), population genetics studies (e.g.
Chevaldonné et al., 2002; Won et al., 2003; Hurtado et al., 2004; Matabos et al., 2008b)
and comparative phylogeography (Plouviez et al., 2009) along the EPR converge to the
existence of a population genetic break on both sides of the equator. Presence of
topographic barriers in relation with tectonic events (i.e. formation of transform faults,
microplates, bathymetric inflation) favoured the role of vicariance events and subsequent
population differentiation at hydrothermal vents (Tunnicliffe & Fowler, 1996). Several
topographic features, related to the ridge history, have been proposed to explain the
divergences observed within morphological species. The formation of the Bauer
microplate, 17-6 Mya (Matabos et al., 2008b), and the nearly simultaneous fossilization of
the Mathematician ridge (Plouviez et al., 2009) were proposed to account for the
divergence observed in the split of Lepetodrilus elevatus into two cryptic lineages. Four
out of six Lepetodrilid species display the same range of genetic divergence (i.e. 5.2 to 9.2;
285

Chapitre 5
Johnson et al., 2008; Matabos et al, 2008b; this study) and may thus share the same past
history. However, levels of divergence are variable among species with two sets of values
ranged from 6-12% (an ‘old’ vicariant event involving L. elevatus, L. pustulosus, L.
tevniatus, P. operculata, P. laevis) to 1.5-3% (‘recent’effect involving L. ovalis, E. vitrea,
G. emarginatus), respectively. Tests on shared divergence times were performed on seven
hydrothermal vent species along the EPR by Plouviez et al. (2009) and revealed the
occurrence of a common vicariant event ~1.3 Mya for all studied species, including L.
elevatus for which another older speciation event is also detected around 11.5 Mya. These
latter authors therefore proposed that the formation of transform faults around 1 to 2 Mya
between 4°S and 14°S, may be responsible for this vicariant break and the emergence of a
transition zone in this area.
Analyses of community composition expressed in terms of presence/absence
support the molecular dataset. Recently, Bachraty et al. (2009) suggested that the EPR is
separated into two different biogeographic provinces: the NEPR vs the SEPR. Our MRT
analyses confirmed the presence of a geographic break at the equator separating the EPR
fauna into two biogeographic entities. However, species lists and molecular data between
9°N and 7°25’S are lacking and further studies centered on the Hess Deep are needed to
exactly position the break. The two evolutionary lineages of Lepetodrilus elevatus were
found in sympatry at 9°50N (Matabos et al., 2008b) were and able to hybridize so other
cryptic complex species may also overlap around the equator. This is especially the case
for Lepetodrilus ovalis and Gorgoleptis emarginatus which showed a consistent but weak
divergence between two distinct mitochondrial lineages that overlap over nearly all the
latitudinal gradient, with one lineage dominating the northern part of the EPR. A contrario,
the gastropod E. vitrea, which displays the same level of divergence exhibits a complete
geographic separation of its two cryptic lineages at 7°25’S (Plouviez et al. 2009). One
explanation could be the differences in life history strategies that can influence dispersal
abilities. Some species may have indeed a dispersal potential to cross the barrier and meet
secondarily. Genome homogenisation between the previously isolated clades is then
depending on the strength of selection against hybrids (genetic barrier).
Added to the occurrence of cryptic species from both parts of the EPR, the
BIOSPEEDO cruise brought at least ten new species for hydrothermal vents (three
gastropods, six polychaetes and one echinoderm; Stöhr & Segonzac, 2006) and expands
the range of several species previously described from the NEPR. The wide geographic
range of most vent species confirms studies previously conducted by Van Dover (2002) in
286

Chapitre 5
the same area. However, while the first studies based on megafauna observations
(Geistdoerfer et al., 1995; Halanych et al., 1999) and the quantitative analysis of
communities associated with mussel beds (Van Dover, 2002, 2003) concluded that the
fauna was similar between the Northern and Southern EPR, results from the present study
highlighted several latitudinal changes in community composition between 17°S and 21°S.
New species were found beyond 17°S and some species warrant further studies as their
identifications were uncertain (Hourdez & Desbuyères; A. Warén, pers com.). In the listed
taxa, two species, Shinkailepas sp. and Eosipho auzendi, represented by two and more
individuals respectively, belong to a genus so far known only from the Mid-Atlantic Ridge
and the Northwest Pacific back-arc basins for Shinkailepas sp. (Desbruyères et al., 2006b).
The presence of Eosipho was already reported at Rehu Marka by (Van Dover, 2002).
Added to the presence of at least five cryptic species (i.e. Lepetodrilus elevatus, L.
pustulosus, L. tevnianus, Planorbidella planispira, Pachydermia laevis), the East-Pacific
Rise appears to be a more complex biogeographic zone than it was first suggested. When
taking into account only the species recorded in Desbruyères et al. (2006b), a geographic
break was established at 18°S and the highest species diversity was found at 13°N. When
adding species collected on the SEPR during the BIOSPEEDO cruise, species diversity
was not different anymore between NEPR and SEPR vent sites and the geographic break
along the SEPR appears positioned between 14°S and 17°25’S. The hypothesis of
Bachraty et al. (2009) that the NEPR could be a centre of dispersal, is probably due to the
over-sampling processed on the northern part of the EPR. Observations and molecular data
led to the assumption that the high species diversity observed on this part of the SEPR is
the result of the overlap of several distinct biogeographic provinces. The new species of
Phymorhyncus sp. had been already found at 31°S (A. Warén, pers. obs.) in concordance
with the presence of the gastropod Eosipho auzendi, described from the Pacific Antarctic
ridge. Individuals of Shinkailepas sp., a genus only described on the Mid-Atlantic Ridge
and in the back-arc basins, were encountered at 21°33’S. Furthermore the average
taxonomic distinctness for the sampling units collected in mussel beds located between
17°25’S and 21°33’S (i.e. Oasis BS6, Rehu Marka, Animal Farm and Grommit) deviated
significantly from the theoretical number of expected species, reinforcing the hypothesis of
“abnormal” hot spot of diversity in this area. The southern part of the SEPR (i.e. between
17°25’S and 21°33’S) could be thus a transition (mixing) zone between the NEPR, the
Pacific Antarctic ridge, and possibly the back-arc basins of the western Pacific, supporting
first observations made during the BIOSPEEDO cruise (Jollivet et al., 2005). This
287

Chapitre 5
assumption is supported by the co-occurrence of NEPR-like Alvinella colonies and
Chorocaris sp. swarms at 21°33’S, shrimp swarms being one of the most striking
characteristic of the Mid-Atlantic Ridge, the Indian Ridge and the Northwest Pacific backarc
basins (Van Dover et al., 2001a; Jollivet et al., 2005).
Mussel beds community structure and composition along the Southern East-Pacific
Rise
The latitude gradient in the global MRT analysis accounted for 45.4% of the variation in
the presence/absence species dataset when adding species collected during the
BIOSPEEDO cruise, suggesting additional role of regional and local factors on the
community composition. Diversity associated with mussel beds was thus analysed along
the SEPR to better understand processes influencing community structure at the regional
scale. Diversity associated with mussel beds has been extensively studied along the East-
Pacific Rise (Van Dover & Trask, 2000; Van Dover, 2002; Turnipseed et al., 2003; Van
Dover, 2003; Bergquist et al., 2005; Dreyer et al., 2005; Van Dover & Doerries, 2005).
Most of those studies were conducted from a quantitative sampling including vagile
epifauna and large macrofauna juveniles (e.g. crabs). This difference can account for the
lower species richness observed in this study compared to previous studies performed
along the SEPR (Van Dover, 2002, 2003). Whatever the sampling strategy used, diversity
recorded along the SEPR was always higher than values reported from the NEPR (Van
Dover, 2003; Dreyer et al., 2005). Results from the canonical analysis showed that latitude
combined with the type of venting at a regional scale significantly influenced the
community structure and composition associated with mussel beds along the SEPR. The
Oasis (17°25’S), Rehu Marka (17°24’S), Animal Farm (18°36’S) and Grommit (21°33’S)
sites were characterized by a high diversity when compared to the most northern sites. At
Sarah’s Spring (7°25’S) and Lucky Eric (14°S) sampling localities, mussels were
distributed in a scattered fashion which could explain the low diversity observed. Indeed,
the low diversity observed was related to a low number of polychaete species in the
sampling units. This is further supported by the significant deviation of the variation in
taxonomic distinctness from theoretical values for those sampling units.
The significant influence of the type of venting highlighted the role of local
processes on the patterns observed. Edifice life spans are highly variable within a single
vent field in response to stochastic events altering fluid discharge and mineralisation
processes. Variations in fluid discharge intensity greatly influence physico-chemical
288

Chapitre 5
parameters and biotic interactions between species (Mullineaux et al., 2003) which, will in
turn greatly impact the community structure and composition. Species composition is thus
highly variable in time and space within a single site and strong differences are observed
according to the successional stage of the community at the time of sampling (Jollivet,
1996; Sarrazin et al., 1997; Shank et al., 1998). On the EPR, productivity, species richness
and abundances of invertebrates associated with mussel beds appeared to be lower at
waning and older sites than at young and active sites (Van Dover, 2003; Dreyer et al.,
2005). In this study, mussel bed’s age was unknown, and the temporal state of mussel beds
was assessed via demographic structure of mussel populations and the proportion of
juveniles. However mussel demographic structure did not reflect in situ observations of the
assemblages (i.e. presence of decaying vestimentiferan tubes at Sarah’s Spring) and no
correlation has been found between community structure and the mussel size frequency
distribution (unpublished data) or the proportion of mussels’ juveniles. This latter was high
at the moribund site Animal Farm (i.e. 56%, Table 5.1) while a low proportion of juveniles
characterized the large and dense mussel beds developing in the waxing site Grommit
(21°S) (i.e. between 0 and 9%). Thus proportion of mussel juveniles does not appear to be
a good proxy to characterize mussel beds conditions.
Analyses showed however that the type of venting had a significant influence when
combined with the latitude. First, the lack of sampling units along the gradient can impede
the test to reach the level of significance when considering the type of habitat alone. On the
other hand, this result could reflect the intermingling role of local and regional factors.
Indeed, processes acting at different spatial scales are often imbricate (Levin et al., 2001)
such that it is difficult to identify their relative role in the absence of replicate samples.
Thus, although the influence of the geodynamic environment was not significant, the type
of venting is strongly related to the regional dynamic of the ridge (Fouquet et al., 1994).
All chimneys were found in vent fields characterized by a tectonic environment (i.e.
Grommit-21°33’S and Susie-17°34’S). Areas driven by volcanic activity are more unstable
in time and space than tectonic areas (Fouquet et al., 1994). Those differences, by
controlling the extinction rate of sites, will impact the extinction/recolonisation rate of the
vent fauna, promote habitat heterogeneity and reduce distances between sites (Jollivet et
al. 1999). While unstable environments are expected to reduce species diversity (Juniper &
Tunnicliffe, 1997), some authors suggested that the resulting small distances between vent
sites should account for bursts of gene flow (Jollivet et al. 1999) and thus result in greater
289

Chapitre 5
rate of site recolonisation promoting a higher species diversity (Turnipseed et al., 2003;
Van Dover & Doerries, 2005). In this study, species and taxonomic diversities were
equivalent in the two types of vent dynamics, suggesting that differences resided in species
composition. As an example, three gastropod species (i.e. Melanodrymia aurantiaca,
Echinopelta fistulosa and Nodopelta subnoda), known to colonize active black smokers’
chimney walls (Jollivet, 1996), were only collected at the Grommit site (21°33’S) where
musselbeds developed at the base and on the wall of a black smoker. Similarly, scavenger
species (i.e. Phymorhyncus spp., Eosipho auzendi, Spioniphura jolliveti) were mainly
found in sites located in volcanic areas (i.e. Oasis BS6, Rehu Marka and Animal Farm).
Nonetheless, while all sampling units collected in the tectonic 21°33’S vent field
(i.e. Gommit) were similar in species composition, strong differences were observed at the
volcanic 17°25’S area (i.e. Oasis BS6 and Rehu Marka). In unstable volcanic areas, the
high rate of spatio-temporal changes in fluid fluxes will result in the intermingling of
different successional stages within a site, thus enhancing the variance among mussel beds
in a given area. Thus, while found on dome-shaped ridge, the apparent moribund sites
Sarah’s Spring and Animal Farm displayed large differences in community structure. A
low diversity characterized the sample collected at Sarah’s Spring with the overwhelming
presence of the gastropod Lepetodrilus elevatus (48%) and the polychete Amphisamytha
galapagensis (37%). Lepetodrilid species are grazers and are among the first species to
colonize a new site, thus not representative of waning sites and an indicator of a vent reopening
conditions. Indeed, the presence on this site of small specimens of the tubeworms
Tevnia jerichonana and Oasisia sp. (D. Jollivet, pers. obs.) suggests the starting of a new
site closed to an ancient vestimentiferan community. Those results illustrate the
importance of regional dynamic on local processes.
Latitudinal gradient and venting type explained less than half of the variation in the
species data, suggesting that other local factors (i.e. biotic and abiotic factors) independent
of the type of venting may account for a large proportion of the variation observed. Small
scale habitat heterogeneity (i.e. within a single animal aggregation) can highly influence
species composition in response to species environmental tolerances and biotic
interactions. Given the high variability in physical and chemical conditions at the
centimetre scale within a single colony (Le Bris et al., 2006), even a small sampled area
can integrate a wide range of physico-chemical conditions. For example, at the Grommit
site (21°33’S), two peltospirids species (i.e. Melanodrymia aurantiaca and Echinopelta
fistulosa), usually associated with alvinellid colonies (Jollivet, 1996) were collected in
290

Chapitre 5
mussels from active black smokers’ chimney wall. On the other hand a sampling area
smaller than a metre square may not be representative of the diversity of the whole
community. Species distribution can vary between the centre and periphery of a single
mussel bed (Bergquist et al., 2005) in response to high variability in environmental
conditions within one metre (Sarrazin et al., 2006). Indeed, mobile gastropod species
associated with alvinellid colonies, tubeworm clumps, bivalves and suspension-feeders, are
not exclusive to a specific zone but rather occupy specific microhabitats that are present in
more than one megafaunal community (Mills et al., 2007; Matabos et al., 2008a). Biotic
interactions, including competition, predation and facilitation, may also play an important
role on community structure.
Limitations and issues
The recent discovery of cryptic species following the emergence of bar-coding approaches
raises the problem of species identification and thus the assessment of the vent
biodiversity. This appears to be a common issue in the sea. Ubiquist species are frequent
occurrences in marine invertebrates and vertebrates and often found over a wide range of
latitudes from the poles to the tropics (Knowlton, 1993). But good species identification is
needed to understand the vent community history, colonisation pathways, and origin(s) of
the fauna. Those observations reinforce the importance of comparative phylogeography to
complement analytical approaches of historical biogeography (Arbogast & Kenagy, 2001).
Correct assessments of species boundaries are fundamental to test biogeographic
hypotheses (Palumbi, 1996). Furthermore, species identifications are not always done by
specialists, which lead to awkward comparisons between taxa lists. Valid comparisons
across studies require a standardisation process for the identification of organisms. This
raises another issue related to species recording and species distribution areas and the
validity of lists available in the literature. Individuals identified by acknowledged
specialists and recorded in a museum with a vouch number appear to be a safe standard for
biodiversity assessment and record. However, ecological studies are more numerous than
systematics studies and lots of species lists are provided by ecologists (Van Dover, 2002,
2003; Governar et al., 2005; Matabos et al. 2008a), so that it is still awkward to assess the
real biodiversity associated with that part of the EPR. Differences in sampling methods
(i.e. quantitative vs qualitative) can also account for the differences observed. Sampling
devices have been independently developed in the different labs and may thus not be
comparable. Finally, the status of rare species also differs between systematic and
291

Chapitre 5
ecological studies and should be seriously considered in biogeographic approaches. Most
ecological studies focus on a particular vent habitat, and may thus underestimate the ‘real’
local biodiversity. To our knowledge, the sediment habitat surrounding vents has been
greatly neglected, so that many species may have never been collected.
This study not only reinforces the existence of two biogeographic provinces along
the East Pacific Rise separating the North from the South EPR, but also suggests that the
‘abnormal’ high species diversity associated with the southern part of the SEPR (17°S-
21°S) could result from an overlap of several biogeographic entities. Further comparisons
are needed to confirm this assumption. Additional samples from the poorly explored
Pacific Antarctic Ridge area could help in the understanding of biodiversity patterns
associated with the Pacific hydrothermal vent systems. Combining species diversity
analyses with comparative phylogeography will help to unveil colonisation pathways that
have led to the present species distribution. On the other hand, the lack of standards in
species classification for deep-sea biogeography and the cross-validation of species’
identification can explain the divergences observed when comparing studies conducted in
the same parts of the ocean. The analysis of diversity associated with mussel beds was a
first step towards a greater understanding on the role of global, regional and local factors
on biodiversity patterns. So far, combination of the latitudinal gradient and the venting
significantly influenced the community structure but more replicates and explanatory
variables are needed to ascertain such an assumption. This study will help designing future
macroecology studies along the EPR aiming to understand processes influencing the
distribution of biodiversity.
AKNOWLEDGMENTS
We thank the crew and pilots of the RV L’Atalante and the DSV Nautile for their
assistance and technical support during the cruise BioSpeedo’04. We also thank the
sequencing/genotyping platform GENOMER for mt COI sequences acquisition. This work
was financially supported by the French programme Dorsales (INSU, Ifremer, CNRS), and
the GDR Ecchis. A grant form the European SYNTHESIS Project funded the collaboration
with the Swedish Museum of Natural History. This study also represents a contribution to
the ANR Biodiversité ‘Deep Oases’ (ANR-06-BDIV-005).
292

Chapitre 5
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Annexe 1
327

Annexe 1
328

Annexe 2
Annexe 2 : logiciel Rabouter Séquence
Manuel d'utilisation du programme RabouterSequences
Réalisé par Sophie Plouviez et Matthieu Bruneaux
Equipe Génétique de l'Adaptation en Milieux Extrêmes
Station Biologique de Roscoff
Pourquoi utiliser RabouterSequences?
Le programme RabouterSequences permet de rabouter facilement un grand nombre de
séquences forward et reverse en quelques secondes à partir d'un site de coupure que l'on
définit. Il peut être très utile pour rabouter des séquences effectuées sur plusieurs individus
d'un même gène. En effet, avant de rabouter les séquences forward et reverse, l'utilisateur
vérifie les chromatogrammes de ces séquences. La séquence forward est corrigée jusqu'à
un site de coupure déterminé appartenant à la zone de recouvrement des deux séquences.
Ce site de coupure sera le même pour l'ensemble des séquences. La séquence reverse est
ensuite corrigée à partir du site de coupure jusqu'à la fin de la séquence. Le programme
RabouterSequences permettra de rabouter chaque séquence forward à sa séquence reverse
correspondante.
Avantage de RabouterSequences?
Vous gardez le contrôle sur ce que vous raboutez. Pas de séquences consensus. Le logiciel
ne modifie pas les sites de vos séquences.
Pas besoin de changer l'ordre de vos séquences pour que Forward et Reverse soient
homogènes. Le logiciel cherche lui même la séquence correspondante.
Rapide et simple d'utilisation (exemple: 600 séquences raboutées en 25 secondes, alors que
manuellement cela vous prendrez plusieurs heures voire jours).
Comment utiliser RabouterSequences?
Fichier d'entrée:
Le programme nécessite deux fichiers d'entrée au format fasta (.fas) contenant
respectivement toutes les séquences en forward (voir exempleForward.fas) et toutes les
séquences en reverse (voir exempleReverse.fas). Les noms des séquences ne doivent pas
dépasser 50 caractères. Il est inutile de tronquer les séquences forward et reverse de part et
d'autre du site de coupure. Ainsi, si le site de coupure est 500pb, les 500 premiers
caractères des séquences du fichier forward seront raboutés aux caractères 501 à la fin des
séquences du fichier reverse.
Attention: le programme reconnait automatiquement le format fasta en .fas. Si votre fichier
est en .fasta, changer le en .fas. Lorsque le nom des fichiers vous est demandé, il est donc
inutile d'inscrire .fas. Dans l'exemple fourni il suffit donc de taper:
Nom du fichier Forward? exempleForward
329

Annexe 2
Nom du fichier Reverse? exempleReverse
Paramètres demandés par le programme:
Il est inutile d'indiquer .fas au logiciel pour le nom du fichier de sortie. Dans l'exemple
fourni:
Nom du fichier de sortie? exempleRaboutecoupure110
Le programme compare les premiers caractères des noms des séquences forward aux
premiers caractères des séquences reverse. Si les noms sont identiques, il raboute les
séquences de part et d'autre du site de coupure. Il faut donc lui définir le nombre de
caractères à comparer entre les deux fichiers. Ainsi, dans l'exemple, les 4 premiers
caractères permettent d'identifier la séquence complémentaire (e.g. ind1) et le site de
coupure a été choisi à 110pb. Dans le fichier de sortie, les séquences raboutées auront le
nom ses caractères. Il est possible d'y ajouter jusqu'à 15 caractères pour l'ensemble des
séquences. Ainsi, dans l'exemple, nous avons ajouté "Raboute" à toutes les séquences.
Caracteres ajoutes aux noms des sequences raboutees? Raboute
Si vous ne souhaitez pas rajouter de caractères aux noms de séquences raboutées, tapez
"non".
Attention: Au sein du même fichier, deux séquences ne doivent pas avoir exactement les
mêmes caractères d'identification.
Fichier de sortie:
Deux fichiers de sortie sont founis:
Le premier fichier RabouterJournal (.txt) contient les informations de déroulement du
programme: les séquences raboutées (faite), les séquences forward dont aucune séquence
reverse n'a été trouvée (forward seule), les séquences reverse dont aucune séquence
forward n'a été trouvée (reverse seule).
Le second fichier de sortie est en fasta (.fas) et contient l'ensemble des séquences
raboutées.
Compatibilité de RabouterSequences:
RabouterSequences a été compilé pour fonctionner sous Windows. Cependant, son
utilisation sous MacOS ou Linux nécessite de recompiler les fichiers sources .c et .h. Ces
fichiers peuvent vous être fournis sur demande.
330

Annexe 2
Fichier source .c
// programme pour rabouter des sequences
// Sophie et Matthieu
// commence le 26/02/2009
// derniere modification le 01/03/2009
#include
#include
#include
#include
#include "fonctions_rabouterSequences.h"
#define LONGUEUR_MAX_SEQUENCES 5000
int main(int argc, char *argv[])
{
// variables
char nomFichierForward[50]={0}; // nom du fichier contenant les
sequences forward
char nomFichierReverse[50]={0}; // nom du fichier contenant les
sequences reverse
char nomFichierSortie[150]={0}; // nom du fichier de sortie
char nomFichierJournal[50]="rabouterJournal"; // nom du fichier journal
FILE* fichierForward=NULL; // pointeur vers le fichier
Forward
FILE* fichierReverse=NULL; // pointeur vers le fichier
Reverse
FILE* fichierSortie=NULL;
// pointeur vers le fichier de sortie
FILE* fichierJournal=NULL;
// pointeur vers le fichier journal
int nombreSequencesForward=0; // nombre de sequences du fichier
Forward
int nombreSequencesReverse=0; // nombre de sequences du fichier
Reverse
char nomRecherche[50]={0};
// nom d'une sequence forward
dont on cherche la reverse
char nomCompare[50]={0};
// nom d'une sequence reverse que l'on
compare avec celui de la forward
int nomTrouve=0;
// booleen : nom Reverse trouve
correspondant a un Forward
char sequenceForward[LONGUEUR_MAX_SEQUENCES]={0}; //
sequence forward
char sequenceReverse[LONGUEUR_MAX_SEQUENCES]={0}; // sequence
reverse
int longueurCoupeForward=0;
// longueur de sequence forward
a conserver
int longueurCoupeReverse=0;
// idem reverse
char ajoutNom[15]={0};
//caracteres ajoutes aux noms des
sequences raboutees
331

Annexe 2
int caracteresNomSequencesCompares=0; //nombre de caractères compares des
noms de sequences
// demander les noms de fichiers d'entree et autres
printf("\nRabouterSequences - programme realise par Sophie Plouviez et Matthieu
Bruneaux");
printf("\nEquipe GAME (Genetique de l'Adaptation en Milieux Extremes)");
printf("\nStation Biologique de Roscoff");
printf("\n\nNom du fichier Forward ? ");
scanf("%s",nomFichierForward);
printf("Nom du fichier Reverse ? ");
scanf("%s",nomFichierReverse);
printf("Nom du fichier de sortie ? ");
scanf("%s",nomFichierSortie);
printf("Longueur de coupe Forward ? ");
scanf("%ld",&longueurCoupeForward);
printf("Caracteres ajoutes aux noms des sequences raboutees \n(ne rien ajouter:
taper non)? ");
scanf("%s",ajoutNom);
longueurCoupeReverse=longueurCoupeForward+1;
printf("Combien de caracteres compares pour les noms de sequences ? ");
scanf("%ld",&caracteresNomSequencesCompares);
// preparation du nom des fichiers
strcat(nomFichierJournal,"_");
strcat(nomFichierJournal,nomFichierSortie);
strcat(nomFichierJournal,".txt");
strcat(nomFichierForward,".fas");
strcat(nomFichierReverse,".fas");
strcat(nomFichierSortie,".fas");
//variables sequences
char sequenceCoupeForward[LONGUEUR_MAX_SEQUENCES]={0};
char sequenceCoupeReverse[LONGUEUR_MAX_SEQUENCES]={0};
// verification des noms de fichiers
printf("\nLes fichiers sont :");
printf("\n\tsequences Forward : %s",nomFichierForward);
printf("\n\tsequences Reverse : %s\n",nomFichierReverse);
// ouverture des fichiers contenant les sequences et du fichier journal
fichierForward=fopen(nomFichierForward,"r");
if (fichierForward==NULL) {
printf("\nErreur : impossible d'ouvrir le fichier %s\n",nomFichierForward);
exit(EXIT_FAILURE);
}
fichierReverse=fopen(nomFichierReverse,"r");
if (fichierReverse==NULL) {
printf("\nErreur : impossible d'ouvrir le fichier %s\n",nomFichierReverse);
332

Annexe 2
exit(EXIT_FAILURE);
}
fichierSortie=fopen(nomFichierSortie,"w+");
if (fichierSortie==NULL) {
printf("\nErreur : impossible d'ouvrir le fichier %s\n",nomFichierSortie);
exit(EXIT_FAILURE);
}
fichierJournal=fopen(nomFichierJournal,"w+");
if (fichierJournal==NULL) {
printf("\nErreur : impossible d'ouvrir le fichier %s\n",nomFichierJournal);
exit(EXIT_FAILURE);
}
// journal
time_t heure;
struct tm* heureConvertie;
time(&heure);
heureConvertie=localtime(&heure);
fprintf(fichierJournal,"rabouterSequences - fichier journal\n");
fprintf(fichierJournal,"\n - programme compile le %s a
%s",__DATE__,__TIME__);
fprintf(fichierJournal,"\n\n\n\n\tDebut du programme :
%s",asctime(heureConvertie));
fprintf(fichierJournal,"\n\nFichiers :");
fprintf(fichierJournal,"\n----------");
fprintf(fichierJournal,"\n Forward : %s",nomFichierForward);
fprintf(fichierJournal,"\n Reverse : %s",nomFichierReverse);
fprintf(fichierJournal,"\n sortie : %s\n",nomFichierSortie);
// compter le nombre de sequences dans chaque fichier
nombreSequencesForward=compterSequences(fichierForward);
printf("\nLe fichier %s contient %ld
sequences",nomFichierForward,nombreSequencesForward);
nombreSequencesReverse=compterSequences(fichierReverse);
printf("\nLe fichier %s contient %ld
sequences\n",nomFichierReverse,nombreSequencesReverse);
// journal
fprintf(fichierJournal,"\n Forward : %ld sequences",nombreSequencesForward);
fprintf(fichierJournal,"\n Reverse : %ld sequences\n",nombreSequencesReverse);
//
fprintf(fichierJournal,"\n\n\nRaboutage des sequences :");
fprintf(fichierJournal,"\n-------------------------");
// remise des curseurs au debut des fichiers
rewind(fichierForward);
rewind(fichierReverse);
// lecture d'un nom forward et recherche de la sequence reverse correspondante
333

Annexe 2
int continuerLectureForward=1;
int continuerLectureReverse=1;
int compteurSequencesLuesForward=0;
int compteurSequencesTrouvees=0;
while
(continuerLectureForward&&compteurSequencesLuesForward

Annexe 2
// fin de la boucle pour une sequence forward / retour au debut
}
// journal
fprintf(fichierJournal,"\n\nTotal : %ld sequences
raboutees\n",compteurSequencesTrouvees);
// sequences forward sans reverse
rewind(fichierForward);
rewind(fichierReverse);
int compteurForwardSeules=0;
continuerLectureForward=1;
continuerLectureReverse=1;
compteurSequencesLuesForward=0;
fprintf(fichierJournal,"\n\n\nSequences Forward seules :");
fprintf(fichierJournal,"\n--------------------------");
while
(continuerLectureForward&&compteurSequencesLuesForward

Annexe 2
sequenceCoupeForward[i]=0;
sequenceCoupeReverse[i]=0;
}
// fin de la boucle pour une sequence forward / retour au debut
}
// journal
fprintf(fichierJournal,"\n\nTotal : %ld sequences Forward
seules\n",compteurForwardSeules);
// sequences reverse sans forward
rewind(fichierForward);
rewind(fichierReverse);
int compteurReverseSeules=0;
continuerLectureForward=1;
continuerLectureReverse=1;
int compteurSequencesLuesReverse=0;
fprintf(fichierJournal,"\n\n\nSequences Reverse seules :");
fprintf(fichierJournal,"\n--------------------------");
while
(continuerLectureReverse&&compteurSequencesLuesReverse

Annexe 2
int i=0;
// vider les variables temporaires
for (i=0; i

Annexe 2
Fichier source fonction .h
#define NOMBRE_MAX_CHAR 80
par ligne de fichier contenant les sequences
// nombres de caracteres maximal lus
int compterSequences(FILE* fichierOuvert) {
int nombreSequences=0;
char ligneLue[NOMBRE_MAX_CHAR];
char* reference=">";
// lecture des lignes
while(fgets(ligneLue,NOMBRE_MAX_CHAR,fichierOuvert)!=NULL) {
if (ligneLue[0]==*reference) {
// on teste si la ligne contient un
nom de sequence ('>' en format FASTA)
nombreSequences=nombreSequences+1;
}
}
// renvoie le nombre de sequences
return(nombreSequences);
}
void extractionChaine(char* sousChaine, char* chaine, int depart, int fin) {
int j=0;
// copie des caracteres un a un (boucle)
for (j=depart; j

Annexe 2
extractionChaine(nomSequence,ligneLue,1,longueurComparee); //
extrait le nom de la sequence
}
} while ((testLigne!=NULL)&&(nomTrouve==0));
on
if (testLigne==NULL) {succes=0;}
// recul du curseur pour etre en debut de sequence
fseek(fichierOuvert,-1,SEEK_CUR);
// recuperation de la sequence
int i=0;
int continuer=1;
while (continuer) {
caractere=fgetc(fichierOuvert);
if ((caractere!=EOF)&&(caractere!=10)&&(caractere!=62)) {
sequenceForward[i]=caractere;
i++;
}
else if ((caractere==EOF)||(caractere==62)) {continuer=0;}
}
fseek(fichierOuvert,-1,SEEK_CUR);
return (succes);
}
int extraireNomSequenceSeul(char* nomSequence, FILE* fichierOuvert, int
longueurComparee) {
int succes=1;
int nombreSequences=0;
char ligneLue[NOMBRE_MAX_CHAR];
char* reference=">";
int nomTrouve=0;
int caractere=0;
char* testLigne=NULL;
// recuperation du nom
do {
testLigne=fgets(ligneLue,NOMBRE_MAX_CHAR,fichierOuvert);
if (ligneLue[0]==*reference) {
// on teste si la ligne contient un nom
de sequence ('>' en format FASTA)
nomTrouve=1;
extractionChaine(nomSequence,ligneLue,1,longueurComparee); //
extrait le nom de la sequence
}
} while ((testLigne!=NULL)&&(nomTrouve==0));
if (testLigne==NULL) {succes=0;}
// recul du curseur pour etre en debut de sequence
on
339

Annexe 2
fseek(fichierOuvert,-1,SEEK_CUR);
return (succes);
}
340

Annexe 3
Annexe 3 : Conditions de PCR
• Alvinella pompejana
Amorces utilisées pour l’amplification des gènes nucléaires d’A. pompejana
---- signifie que 4 pb ont été ajoutées pour la méthode de Marquage Recapture de
séquences
Locus Sens de Amorce 5’-3’
l’amorce
PGM Sens ----CCCAGGTGGTCCAAATGC
Antisens ----GTACAGATGTCAGCCTTCAGGTC
SAHH Sens ----CTTGTCAACCTCGGCTGTG
Antisens ----CTGCCTGCTCGTCTGTTAG
GlobX Sens ----AGTTGACTGAAGAACGCAGAGAAGCGGT
Antisens ----CGCGAAGATCCTTGAAGTACTCTTGGTA
Conditions de mix de PCR pour un puit
PGM SAHH GlobX
BSA 2% 0,5 0 0
Tampon Taq 10X 2,5 2,5 2,5
MgCl2 25mM 2 2 2
dNTPs 2,5 mM chacun 2,5 0,5 0,5
Amorce Sens 10µM 1 1,2 1,2
Amorce Antisens 10µM 1 1,2 1,2
Taq 5u/µl 0,1 0,1 0,1
ADN 2,5 5 5
Eau ultrapure 12,9 12,5 12,5
Volume final 25 25 25
Conditions d’amplification des gènes nucléaires.
Tm PGM = 57°C, Tm SAHH = 57°C, Tm GlobX = 55°C
Température °C Temps Nombre de cycles
94 3 min 1
94 30 s
Tm
20 s
40
72 2min 30 s
72 10 min 1
341

Annexe 3
• Bathymodiolus thermophilus
Amorces utilisées pour l’amplification des gènes nucléaires de B. thermophilus
---- signifie que 4 pb ont été ajoutées pour la méthode de Marquage Recapture de
séquences
Locus Sens de Amorce 5’-3’
l’amorce
SAHH Sens ----TAAATCTTGGTTGTGCTCATGGTCATCCA
Antisens ----TTTGAATGGTCCTTCTTTAGGTAGAC
Lysozyme Sens ----GTTTCCCCAAAATGTATGAGCTGT
Antisens ----TAATCTCCGCCTGGACTACCACAATC
Sulfo 1 et 2 Sens ----TCTTTAAAGTCAGGATCACATTGG
Antisens ----TAAGGCAAAGTGGAACAACGAGACCGC
Conditions de mix de PCR pour un puit
SAHH Lysozyme Sulfo1 et 2
BSA 2% 0,5 0,5 0,5
Tampon Taq 10X 2 2 2
MgCl2 25mM 1,6 1,6 1,6
dNTPs 2,5 mM chacun 2 2 2,4
Amorce Sens 10µM 0,8 0,8 0,8
Amorce Antisens 10µM 0,8 0,8 0,8
Taq 5u/µl 0,1 0,1 0,1
ADN 2 2 2
Eau ultrapure 10,2 10,2 9,8
Volume final 20 20 20
Conditions d’amplification des gènes nucléaires
Température °C Temps Nombre de cycles
94 5 min 1
94 35 s
Tm 60°C
1 min
35
72 2 min
72 10 min 1
342

Annexe 3
• Lepetodrilus elevatus
Amorces utilisées pour l’amplification des gènes nucléaires et l’amplification et le
séquençage des clones mitochondriaux de L. elevatus
---- signifie que 4 pb ont été ajoutées pour la méthode de Marquage Recapture de
séquences
Locus Sens de Amorce 5’-3’
l’amorce
Lysozyme Sens ----GAATGAATCGCTCGTAAAATCCC
Antisens ----CGCAGGTAGGGGCACGACC
VDG3 Sens ----CTTCTTCTGTAAGTATCCCYGTC
Antisens ----AAGCCGAACTTCGTCACAA
Textilinine Sens ----GGGGATCCATGTTGAAGTTTGTCGTCTGCTCCTTGT
Antisens ----ATCCCACTCCTGCGCACTTGTTCTCGCAGTCG
Plasmide Sens SP6 CATTTAGGTGACACTATAG
Antisens T7 GTAATACGACTCACTATA
Conditions de mix de PCR pour un puit
Lysozyme VDG3 Textilinine SP6/T7
BSA 2% 0 1 1 0
Tampon Taq 10X 2,5 2,5 2,5 1,25
MgCl2 25mM 2 2 2 1
dNTPs 2,5 mM chacun 0,5 0,7 0,7 0,35
Amorce Sens 10µM 1,2 1,5 1,5 0,75
Amorce Antisens 10µM 1,2 1,5 1,5 0,75
Taq 5u/µl 0,1 0,1 0,1 0,05
ADN 5 5 5 5
Eau ultrapure 12,5 10,7 10,7 3,35
Volume final 25 25 25 12,5
343

Annexe 3
Conditions d’amplification du gène Lysozyme
Température °C Temps Nombre de cycles
94 3 min 1
94 30s
TD 66-56°C
20s
10
72 2min 30s
94 30 s
Tm 56°C
20 s
30
72 2min 30s
72 10 min 1
Conditions d’amplification du gène VDG3
Température °C Temps Nombre de cycles
94 3 min 1
94 45 s
Tm 57°C
30 s
40
72 1min 15s
72 10 min 1
Conditions d’amplification du gène Textilinine
Température °C Temps Nombre de cycles
94 3 min 1
94 45 s
Tm 60°C
30 s
40
72 1min 15s
72 10 min 1
Conditions d’amplification des clones de mtCOI
Température °C Temps Nombre de cycles
94 3 min 1
94 1 min
Tm 55°C
1 min
30
72 1min 15s
72 10 min 1
344

Annexe 4
Annexe 4 : Code génétique mitochondrial des Alvinellidae
La traduction des séquences d’A. pompejana en utilisant le code mitochondrial des
Plathelminthes « flatworm » met en évidence six mutations non synonymes dans le
polymorphisme du gène de la Cytochrome c Oxydase I (COI). Ces mutations ne sont pas
fixées entre les lignées nord et sud, ne correspondent pas à des singletons mais sont plutôt
en équi-fréquence dans le jeu de séquences analysées (mutations en fréquence
intermédiaire). Elles correspondent toutes à une mutation entre l’acide aminé méthionine
(ATG) et un unique codon de l’isoleucine (ATA, Fig. A.1). Cette observation suggère que
le codon ATA pourrait coder en réalité pour une méthionine et non pour une isoleucine :
une situation déjà rencontrée dans le code génétique de la mitochondrie de la drosophile et
des Chordés (e.g. Wolstenholme & Clary 1985). En utilisant le code génétique de la
drosophile (plus proche phylogénétiquement), aucune mutation non synonyme n’est
présente, ni dans le polymorphisme d’A. pompejana, ni dans sa divergence avec A.
caudata, indiquant une forte sélection purifiante sur le gène mtCOI. Avec le code
génétique des Plathelminthes, le test de McDonald Kreitman réalisé entre A. pompejana et
A. caudata est significatif (p = 0,04), avec 6 mutations non synonymes dans le
polymorphisme d’A. pompejana mais aucune dans la divergence fixée entre ces espèces,
confirmant que le biais observé est dû à l’usage d’un mauvais code génétique.
345

Annexe 4
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....|
Ap11 DDQLYNTIIT AHGLLMLFFF VTPIFIGGFA NWLLPLMIGA PDMAFPRVNN LGFWLLPPAL TLLIASAAVE KGVGTGWTIY PPLAGNMAHA GPSVDLAIFS
Ap45 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap63 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap82 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap98 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap107 .......... .......... .......... ......I... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap134 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap281 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap292 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap362 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap500 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap514 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap525 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap530 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap542 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap553 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap564 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap9N4 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ap9N6 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......I... ..........
Ap9N12 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ......I... ..........
Ac18 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ac31 .......... .......... .......... .......... ..I....... .......... .......... .......... .......... ..........
Ac33 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Ac38 .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... .......... ..........
Pp1 .......... .....K.... I........G .......L.. ..I....M.. .R...N.... ....T..... ..I....... .......... ..........
Pp2 .......... .......... I........G .......L.. ..I....M.. .R...N.... ....T..... ..M....... .L........ ..........
Pp3 .......... .......... I........G .......L.. ..I....M.. .R...N.... ....T..... ..M....... .......... ..........
Pp4 .......... .......... I........G .......L.. ..I....M.. .R...N.... ....T..... ..M....... .......... ..........
Pp5 .......... .......... I........G .......L.. ..I....M.. .R...N.... ....T..... ..M....... .......... ..........
Pk1 R......VV. ..AF.II..L .I.V.....G ...V..ILA. .......I.. MR........ I..LS..... ........V. ...SR.L... ..........
Pk2 R......VV. ..AF.II..L .I.V.....G ...V..ILA. .......I.. MR........ I..LS..... ........V. ...SR.L... ..........
Pk3 R......VV. ..AF.II..L .I.V.....G ...V..ILA. .......I.. IS........ I..LS..... ........V. ...SR.L... ..........
Pk4 R......VV. ..AF.II..L .I.V.....G ...V..ILA. .......I.. IS........ I..LS..... ........V. ...SR.L... ..........
Pk5 R......VV. ..AF.II..L .I.V.....G ...V..ILA. .......I.. IS........ I..LS..... ........V. ...SR.L... ..........
110 120 130 140 150
....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|....| ....|.
Ap11 LHLAGVSSIL GSINYITTVM NMRPKGMNFE SVPLFVWAVK ITAILLLLSL PVFAGA
Ap45 .......... .......... .......... .......... .......... ......
Ap63 .......... .......... .......... .......... .......... ......
Ap82 .......... .......... .......... .......... .......... ......
Ap98 .......... .......... .......... .......... .......... ......
Ap107 .......... .......... .......... .......... .......... ......
Ap134 .......... .......... .......... .......... .......... ......
Ap281 .......... .......... .......... .......... .......... ......
Ap292 .......... .......... .......... .......... .......... ......
Ap362 .......... .......... .......... .......... .......... ......
Ap500 .......... .........I .......... .......... .......... ......
Ap514 .......... .......... .I........ .......... .......... ......
Ap525 .......... .......... .I........ .......... .......... ......
Ap530 .......... .......... .I........ .......... .......... ......
Ap542 .......... .......... .I........ .......... .......... ......
Ap553 .......... .......... .I........ .......... .......... ......
Ap564 .......... .......... .I........ .......... .......... ......
Ap9N4 .......... .......... .......... .......... .......... ......
Ap9N6 .......... .......... .I........ .......... .......... ......
Ap9N12 .......... .......... .I........ .......... .......... ......
Ac18 .......... .........I .......... .......... .......... ......
Ac31 .......... .........I .......... .......... .......... ......
Ac33 .......... .........I .......... .......... .......... ......
Ac38 .......... .........I .......... .......... .......... ......
Pp1 .....A.A.. ....F..... ......I... .......S.. .......... ......
Pp2 .....A.A.. ....F..... ......I... .......S.. .......... ......
Pp3 .....A.A.. ....F..... ......I... .......S.. .......... ......
Pp4 .....A.A.. ....F..... ......I... .......S.. .......... ......
Pp5 .....A.A.. ....F..... ......I... .......S.. .......... ......
Pk1 .....I.... .A..F....I ...S..LRL. R......... ...V...... ..L...
Pk2 .....I.... .A..F....I ...S..LRL. R......... ...V...... ..L...
Pk3 .....I.... .A..F....I ...S..LRL. R......... .......... ..L...
Pk4 .....I.... .A..F....I ...S..LRL. RI........ .......... ..L...
Pk5 .....I.... .A..F....I ...S..LRL. R......... .......... ..L...
Fig. A.1 Alignement de séquences de mtCOI d’A. pompejana (Ap) et A. caudata (Ac)
traduites en acides aminés en utilisant le code génétique des Plathelminthes.
346

Annexe 4
Nous avons donc cherché à vérifier cette hypothèse en comparant ces séquences
d’A. pompejana à des séquences de mtCOI d’autres Alvinellidae (A. caudata, Paralvinella
pandorae) et un polychète côtier d’une famille proche (Pectinaria koreni). Nous avons
effectué un arbre phylogénétique en utilisant un sous-échantillon de 20 séquences d’A.
pompejana, selon la méthode des plus proches voisins : sur les séquences en acides aminés
traduites selon les deux codes génétiques (Fig. A.2). Avec le code génétique des
Plathelminthes, un individu A. pompejana s’avère identique en acides aminés à plusieurs
A. caudata. Le code génétique mitochondrial de Drosophila montre, quant à lui, que
l’ensemble des Alvinella présente la même séquence d’acides aminés (râteau), suggérant
que le code génétique mitochondrial de Drosophila correspondrait mieux à celui des
Alvinella.
Fig. A.2 Arbres phylogénétiques du gène mtCOI de séquences en acides aminés avec le
code des Plathelminthes (A) et de Drosophila (B).
347

Annexe 4
348

Annexe 5
Annexe 5 : Article Relation femelles/juvéniles chez
Branchipolynoe seepensis
349

Annexe 5
350

Annexe 5
351

Annexe 5
352

Annexe 5
353

Annexe 5
354

Annexe 5
355

Annexe 5
356

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Titre de thèse : Phylogéographie comparée des espèces hydrothermales de la dorsale
du Pacifique oriental
L’histoire démographique des espèces hydrothermales profondes et leurs échanges
génétiques le long de la dorsale du Pacifique oriental ont été analysés en combinant des
approches classiques d’analyses de fréquences alléliques entre populations avec des
méthodes d’analyse plus récentes basées sur la théorie de la coalescence. Une approche de
phylogéographie comparée sur sept espèces (un bivalve, trois gastéropodes, trois
polychètes), réalisée sur le gène mitochondrial Cytochrome Oxydase I, a permis de révéler
une barrière aux flux de gènes, commune à toutes les espèces entre le Nord et le Sud EPR
datant d’environ 1,3 Ma et probablement liée à la formation de failles transformantes entre
0°-7°25°N. Cette séparation de faune s’est accompagnée d’une expansion démographique
généralisée plus récente (< 0,5 Ma) au Sud. Une approche multi-locus a ensuite été
effectuée sur trois taxons cibles aux traits d’histoire de vie contrastés : le polychète A.
pompejana, le bivalve B. thermophilus et le gastéropode L. elevatus (comprenant deux
espèces cryptiques). Cette approche a permis de confirmer les résultats obtenus par
l’approche multi-spécifique. L’hybridation entre lignées divergentes, détectée chez ces
trois taxons, suggère une semi-perméabilité de la barrière aux flux de gènes. L’étendue de
la zone de contact secondaire dépend du taxon considéré selon ses traits d’histoire de vie,
et des forces de sélection agissant au locus considéré. Les patrons de distributions
phylogéographique et biogéographique mises en évidence sur les espèces et les
communautés s’accordent pour séparer la dorsale du Pacifique oriental en deux provinces
biogéographiques différentes de part et d’autre de l’Equateur.
Mots clés : phylogéographie, vicariance, allopatrie, expansion démographique,
hybridation, introgression, sélection, milieu hydrothermal
PhD title: Comparative phylogeography of deep-sea hydrothermal vents species along
the East Pacific Rise
Demographic history and past gene flow between populations of deep-sea
hydrothermal vent species along the East Pacific Rise (EPR) were assessed using a
phylogeographic approach combining a classical allele-frequency-based analysis and more
sophisticated coalescence-based methods. A comparative phylogeographic COI-based
analysis of seven species (one bivalve, three gastropods, three polychaetes) showed the
occurrence of a vicariant event associated with the raise of a physical barrier between the
Northern and Southern EPR, 1,3 Mya probably due to the formation of transform faults in
the equatorial region (0°-7°25S). This fauna separation was then followed by a more recent
(< 0.5 Myr) population expansion in the South for all species. A multilocus approach was
then performed on three targeted taxa with different life trait histories (the polychaete: A.
pompejana, the bivalve: B. thermophilus, and two cryptic species of the gastropod L.
elevatus). This study confirmed results obtained from the previous multi-species approach.
Hybridization between divergent lineages from each of the three taxa suggested that the
barrier is semi-permeable. The range of the secondary contact zone was however variable
depending on life-history traits of each species and selective processes acting at a given
gene. Phylogeographic and biogeographical patterns derived from species and assemblages
are in agreement with the hypothesis of two biogeographical EPR provinces across the
Equator.
Keywords: phylogeography, vicariance, allopatry, demographic expansion,
hybridization, introgression, selection, deep-sea hydrothermal vents
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